Martina Viková. Viková, M. : ZÁŘENÍ III. LCAM DTM FT TU Liberec, polarizační filtr. zdroj světla

Viková, M. : ZÁŘENÍ III

Záření III Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, [email protected]

polarizační filtr zdroj světla kyveta se vzorkem

α normální světelný paprsek kmitá ve všech rovinách

polarizované světlo kmitá v jedné rovině rovina je stočena Přednášky z : Textilní fyzika


Nepolarizované světlo E

V každém bodě podél paprsku má vektor E jiný směr, stejnou velikost a vždy je kolmý na paprsek

σ E

paprsek nepolarizovaný Přednášky z : Textilní fyzika


Polarizátor I Pokud paprsek prochází prostředím, které je schopné usměrnit paprsek a jeho vektor kmitání do jedné roviny, dochází tzv. polarizaci. Polarizace absorpcí může být uskutečněna polarizačním hranolem nebo filtrem (polaroidem)

Přednášky z : Textilní fyzika


Polarizátor II σ

Polarizátor propustí z každého vektoru E jen jeho průmět do Ep do směru propustnosti.

p E

p

σ nepolarizovaný paprsek o intenzitě I0

E

Směr propustnosti polarizátoru je směr propustnosti vektoru E

Ep E = Σ Ep lineárně polarizovaný paprsek o intenzitě I0/2


Roviny σ jsou kolmé na paprsek


Malusův zákon • Malusovy pokusy vedly k formulaci tzv. Malusova zákona, který říká, že pokud je ideální polarizační filtr umístěn do paprsku světla s intenzitou I0, pak světlo má po průchodu tímto polarizačním filtrem intenzitu:

I = I 0 cos2 θi • kde I0 je počáteční intenzita světla a θi je úhel mezi rovinou polarizace světelného paprsku a osou polarizačního filtru. • Paprsek nepolarizovaného světla lze chápat jako složený z lineárně polarizovaných paprsků v různých směrech, přičemž žádný ze směrů není privilegovaný. Vzhledem k tomu, že průměrná hodnota cos2θ je rovna 1/2, bude platit:

I 1 = I0 2



Polarizátor III • Dvojlomné krystaly, jako např. Islandský vápenec (např. hranol „Nicol“) • Fólie s jednosměrnou orientací makromolekul vykazujících dichroismus



Lineárně polarizovaný paprsek

Lineárně polarizovaný paprsek – světlo kmitá pouze v jedné rovině a při prostupu rovina kmitání polarizovaného paprsku není stáčena.Obě složky kmitají ve stejné fázi a se stejnou amplitudou.



Kruhově polarizovaný paprsek Pokud mají obě složky stejnou amplitudu, ale jejich fázový rozdíl je π/2 radiánů(90°), pak je jedna komponenta nulová, když druhá nabývá minima či maxima (její absolutní hodnota nabývá maxima).

Existují dvě možnosti jak toto realizovat. Komponenta x může být o π/2 před či za komponentou y. Elektrický vektor složený z těchto komponent rovině kolmé na směr pohybu bude kroužit po kružnici. Tento stav nazýváme kruhovou polarizací a její dva stavy: pravotočivá kruhová polarizace a levotočivá kruhová polarizace. Přednášky z : Textilní fyzika


Elipticky polarizovaný paprsek

Všechny ostatní případy polarizovaného světla, kde obě komponenty nejsou ve fázi, ani nemají fázový rozdíl π/2 nebo nemají stejnou amplitudu, se nazývají eliptická polarizace neboť výsledný vektor vykružuje (polarizační) elipsu.



Polarizace dvojlomem I Velmi zajímavým materiálem je kalcit (CaCO3). • Ten na rozdíl od jiných materiálů láme světlo pod dvěma různými úhly. • Každý paprsek se tak rozdělí ve dva(řádný a mimořádný) - pozorujemeli nějaký objekt skrz krystal kalcitu, vidíme ho zdvojeně. K rozdělení paprsku na dva dochází díky tomu, že osa symetrie krystalu běží diagonálně. Jeden ze dvou paprsků procházejících krystalem se chová zcela normálně, podle Snellova zákona, jako u všech běžných materiálů, zatímco druhý je tak trochu „podivný“. • Rychlost šíření světla u něj závisí na tom, jakým směrem krystalem prochází. Světlo obou těchto paprsků je polarizované, a to ve směrech na sebe navzájem kolmých. Toho se využívá k výrobě refrakčních polarizačních filtrů.



Polarizace dvojlomem II Mimořádný paprsek- no index lomu závisí na směru dopadu světla

Řádný paprsek - řídí se Snellovým zákonem, ne index lomu je konstantní

V případě Kalcitu platí cao=1,116c0 Přednášky z : Textilní fyzika


Polarizace rozptylem Polarizace světla nastává i při jeho rozptylu. Jedná se o řadu jevů vyvolaných jednak odrazem světla, jednak jeho ohybem. Při průchodu zkaleným prostředím se světlo na malých částečkách ohýbá i rozptyluje. Tím se stává cesta světelného paprsku viditelná. Rozptýlené světlo je částečně polarizované a jeho vektor E kmitá v rovině kolmé k rovině určené dopadajícím svazkem a směrem pozorování.

Uvnitř tohoto prostředí se nacházejí dispergované částice

Světelný zdroj – nepolarizované světlo Přednášky z : Textilní fyzika


Vstupní paprsek

Polarizace odrazem I

αB

Odražený paprsek

αB 90°

90° − α B


Paprsek refraktovaný médiem


Polarizace odrazem II normála k rozhraní rovina dopadu index lomu n Ep rovina rozhraní

Es

αB

αB

tato složka E chybí

Esr

index lomu n

n tgα B = ' n 1) 2) 3) 4)

Est

α

Ept

Při Brewsterově úhlu dopadu αB se odráží jen složka Esr (Ep = 0). Úhel mezi odraženým a lomeným paprskem je 90 stupňů. Lineární polarizace odrazem nastává jen pro rozhraní dvou dielektrik. Na rozhraní vakuum - kov nebo povrchu s tenkými vrstvami vzniká odrazem eliptická polarizace (důsledek komplexního indexu lomu kovů). Přednášky z : Textilní fyzika


Polarizace odrazem na vodě I

1 n tgα B = ' = n 1.33 tan α B = n

Index lomu vody n=1,33

α B = 53,06°

Brewsterův úhel pro vodu

90° − α B = 36,94°

Úhel do vody lomeného paprsku



Polarizace odrazem na vodě II Vstupní paprsek

Odražený paprsek

53°

53°

90°

37°


Paprsek refraktovaný médiem


Optická aktivita I týká se opticky anizotropních prostředí (nemají ve všech směrech stejné optické vlastnosti), vlastnosti jsou směrově závislé optická anizotropie: • dočasná - u tuhých, pravidelně uspořádaných látek, mizí po roztavení látky • trvalá - souvisí se strukturou molekul, projevuje se u molekul s chirální stavbou ( molekuly u kterých nelze najít její zrcadlový obraz )

anizotropní prostředí stáčí rovinu polarizovaného světla Přednášky z : Textilní fyzika


Optická aktivita II Úhel otočení

Polarizátor l

Nastavení analyzátoru tak, aby procházelo světlo o maximální intenzitě

Světelný zdroj – nepolarizované světlo Přednášky z : Textilní fyzika


Optická aktivita III stočení roviny polarizovaného světla průchodem opticky aktivní látkou:

α = [α ]λ .l.c t

α = úhel otočení ( měření provádíme tzv. polarimetry)

[α ] = specifická otáčivost pro světlo určité vlnové délky t

λ

při teplotě t,obvykle světlo kratších vlnových délek je stáčeno více než světlo větších vlnových délek l = tloušťka vrstvy c = koncentrace Přednášky z : Textilní fyzika


Optická aktivita IV

Zkušenosti ukázaly, že monotónní křivku závislosti optické otáčivosti na vlnové délce světla vykazují látky, které ve sledované oblasti neabsorbují světelnou energii, tj. Nemají v molekule žádné chromofory s elektronovými přechody uskutečňujícími se při těchto vlnových délkách(např. u glukopyranózy). V opačném případě je průběh křivky narušen zpravidla strmou změnou měřených hodnot [α] nebo [Φ] k jednomu extrému, velmi strmým přechodem přes nulovou hodnotu k druhému extrému a následným pokračováním této, tzv. anomální křivky v poli opačných znamének rotace

Monotónní a anomální průběh závislosti [α] resp. [Φ] na λ Přednášky z : Textilní fyzika


Optická aktivita V

Průchod světla absorbujícím chirálním prostředím (elipticky polarizované světlo)

Tento jev se nazývá Cottonův efekt (A. Cotton, 1896, dále CE) a podle toho, zda směrem ke krátkovlnné oblasti křivka napřed stoupá anebo napřed klesá rozeznáváme křivku (a CE) kladnou nebo zápornou. Křivkami závislosti [Φ] vers. λ , jejich studiem a využitím pro strukturní analýzu organických sloučenin se zabývá metoda nazvaná optická rotační disperse (ORD).



Polarimetr laboratorní Polarimetr P1000 (Krüss) otočný hranol rozsah 0 – 180° (dělení po 1°, odečítání po 0.05°) sodíková výbojka (589 nm) dvě polarimetrické trubice (1 a 2 dm)

digitální Polarimetr 341 (PerkinElmer) vědecké a výzkumné aplikace, průmyslové aplikace (monitorování) sodíková výbojka (Na 589 nm) rtuťová výbojka (Hg 578, 546, 436 a 365 nm) detektor: fotonásobič kyvety skleněné nebo křemenné, délka 100 mm, objemy 6.2 ml, 1 ml, 350 μl aj. temperace vzorku (připojení k termostatu) možnost měřit v UV oblasti elektromagnetického záření Přednášky z : Textilní fyzika


Schéma polarimetru Směr světelného paprsku

Světelný zdroj

Normální polarizátor Polarizované (nepolarizované světlo světlo)

Trubice obsahující roztok s chirální sloučeninou

Polarizované Analyzátor Detektor světlo pootočené

• Otočí-li opticky aktivní látka v kyvetě rovinu polarizovaného světla o určitý úhel, na detektor začne dopadat světlo. • Pokud otočíme o stejný úhel analyzátorem, opět bude intenzita světla prošlého k detektoru nulová. • Signál z detektoru je vyhodnocován a servomotor otáčí analyzátorem, dokud není nalezeno minimum intenzity Část polarizovaného světla, která projde analyzátorem, je určena úhlem, který svírá polarizační rovina analyzátoru s polarizační rovinou polarizátoru - rovnoběžné: svírají úhel 0°, 180°, 360°— světlo projde analyzátorem v plné intenzitě - kolmé: svírají úhel 90°, 270°— analyzátor nepropouští žádné světlo svírají úhel < 90°— analyzátor propouští část světla z polarizátoru Přednášky z : Textilní fyzika


Optické prostředí Izotropní látky

n

Plocha indexů lomu: Délka šipek je úměrná velikosti indexu lomu v daném směru. Koncové body leží na kouli.

Anizotropní látky (látky dvojlomné)

ne, no

o

e

optická osa

Dvojlomná látka je charakterizována dvěma indexy lomu no a ne a dále optickou osou Plocha indexů lomu: Koncové body no leží na kouli, zatím co ne leží na rotačním elipsoidu.



Dichroický poměr

R=

A|| A A||=Absorbance paralelně polarizovaného paprsku

R =dichroický poměr

A =Absorbance kolmo polarizovaného paprsku

Dichroický poměr je používán pro hodnocení odchylek od jednoosé orientace molekul v materiálu Přednášky z : Textilní fyzika


Dichroický poměr pro různé orientace molekul

y

Náhodná orientace

x

R=1

x

R=

y Planparalelní orientace

x


R= 0

8

y

Kolmá paralelní orientace


Určení orientace molekul pomocí dichroismu • Absorbanci Ao vypočteme jako aritmetický průměr absorbancí ve třech hlavních navzájem kolmých osách Z Y Ao = (AX + AY + AZ)/ 3

X • Hodnota Ao závisí na vlastnostech konkrétního analyzovaného vzorku Přednášky z : Textilní fyzika

Martina Viková. Viková, M. : ZÁŘENÍ III. LCAM DTM FT TU Liberec, polarizační filtr. zdroj světla

Recommend Documents