Martina Viková. Viková, M. : ZÁŘENÍ III. LCAM DTM FT TU Liberec, martina.vikova@tul.cz. polarizační filtr. zdroj světla.

Transkript

1 Záření III Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, zdroj světla polarizační filtr kyveta se vzorkem α normální světelný paprsek kmitá ve všech rovinách polarizované světlo kmitá v jedné rovině rovina je stočena

2 Nepolarizované světlo E V každém bodě podél paprsku má vektor E jiný směr, stejnou velikost a vždy je kolmý na paprsek E σ paprsek nepolarizovaný

3 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)

4 Polarizátor II E σ p Polarizátor propustí z každého vektoru E jen jeho průmět do E p do směru propustnosti. p nepolarizovaný paprsek o intenzitě I0 E Ep σ E = Σ Ep Roviny σ jsou kolmé na paprsek Směr propustnosti polarizátoru je směr propustnosti vektoru E lineárně polarizovaný paprsek o intenzitě I0/2

5 Malusův zákon Malusovy pokusy vedly k formulaci tzv. Malusova zákona, který říká, že pokud je ideální polarizační filtr umístěn do paprsku světla s intenzitou I 0, pak světlo má po průchodu tímto polarizačním filtrem intenzitu: I = I0 cos kde I 0 je počáteční intenzita světla a θ i je úhel mezi rovinou polarizace světelného paprsku a osou polarizačního filtru. 2 θ i 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 cos 2 θ je rovna 1/2, bude platit: I I 0 = 1 2

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

7 Lineárn rně 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 Polarizace dvojlomem II Mimořádný paprsek- n o index lomu závisí na směru dopadu světla Řádný paprsek - řídí se Snellovým zákonem, n e index lomu je konstantní V případě Kalcitu platí c ao =1,116c 0

12 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. Světelný zdroj nepolarizované světlo Uvnitř tohoto prostředí se nacházejí dispergované částice

13 Vstupní paprsek Polarizace odrazem I Odražený paprsek α B α B α B Paprsek refraktovaný médiem

14 Polarizace odrazem II normála k rozhraní index lomu n rovina dopadu rovina rozhraní Es Ep αb Esr α B tato složka E chybí index lomu n tgα B = n ' n 1) Při Brewsterově úhlu dopadu α B se odráží jen složka E sr (E p = 0). 2) Úhel mezi odraženým a lomeným paprskem je 90 stupňů. 3) Lineární polarizace odrazem nastává jen pro rozhraní dvou dielektrik. 4) Na rozhraní vakuum - kov nebo povrchu s tenkými vrstvami vzniká odrazem eliptická polarizace (důsledek komplexního indexu lomu kovů). Est α Ept

15 Polarizace odrazem na vodě I tgα B = n n' = tanα 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

16 Vstupní paprsek Polarizace odrazem na vodě II Odražený paprsek Paprsek refraktovaný médiem

17 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

18 Optická aktivita II Polarizátor l Úhel otočení Světelný zdroj nepolarizované světlo Nastavení analyzátoru tak, aby procházelo světlo o maximální intenzitě

19 stočení roviny polarizovaného světla průchodem opticky aktivní látkou: α = [ ] t α l. c λ. α = úhel otočení ( měření provádíme tzv. polarimetry) [ ] t α λ = specifická otáčivost pro světlo určité vlnové délky při teplotě t,obvykle světlo kratších vlnových délek je stáčeno více než světlo větších vlnových délek l = tloušťka vrstvy c = koncentrace Optická aktivita III

20 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

21 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).

22 Polarimetr laboratorní Polarimetr P1000 (Krüss) otočný hranol rozsah (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

23 Schéma polarimetru Směr světelného paprsku Světelný zdroj Normální polarizátor Polarizované (nepolarizované světlo světlo) Trubice obsahující roztok s chirální sloučeninou Polarizované světlo pootočené Analyzátor Detektor 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

24 Optické prostřed edí 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 n o a n e a dále optickou osou Plocha indexů lomu: Koncové body n o leží na kouli, zatím co n e leží na rotačním elipsoidu.

25 Dichroický poměr R= A A R =dichroický poměr A =Absorbance paralelně polarizovaného paprsku A =Absorbance kolmo polarizovaného paprsku Dichroický poměr je používán pro hodnocení odchylek od jednoosé orientace molekul v materiálu

26 Dichroický poměr r pro různr zné orientace molekul y Náhodná orientace x R=1 y Kolmá paralelní orientace x R= 8 y Planparalelní orientace x R= 0

27 Určen ení orientace molekul pomocí dichroismu Absorbanci Ao vypočteme jako aritmetický průměr absorbancí ve třech hlavních navzájem kolmých osách Y Z Ao = (AX + AY + AZ)/ 3 X Hodnota Ao závisí na vlastnostech konkrétního analyzovaného vzorku