Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн

 

где l — толщина образца. При l=10 мм погрешность измерения no-ne составляет ±3×10-7. С увеличением l погрешность уменьшается.

 

Несколько более сложную  схему имеет малогабаритный поляриметр ИГ-86 (рисунок 2.11), предназначенный для  визуального исследования напряженного состояния изделий с помощью  оптически чувствительных покрытий. Он позволяет наблюдать интерференционную  картину в условиях плоской и  круговой поляризации и измерять оптическую разность хода как методом сопоставления цветов, так и компенсационным методом.

 

 

 

Рисунок 2.11 - Опическая схема малогабаритныого поляриметра ИГ-86

 

(пояснения в тексте)

 

Источник света 1 (лампа  СЦ-61) размещен в фокусе объектива 3. Защитные стекла 2, 7 и 12 предохраняют прибор от попадания в него загрязнений. Параллельный пучок лучей проходит поляризационный светофильтр (поляризатор 4), полупрозрачное зеркало 8 и, отразившись  от светоделительного слоя, падает на оптически чувствительное покрытие 6, нанесенное на исследуемый объект 5. После отражения от покрытия свет попадает в анализаторный узел прибора, проходит компенсатор 9, анализатор 10 и попадает в зрительную трубу (сменное увеличение 2 и 10´) со шкалой в совмещенной фокальной плоскости объектива 11 и окуляра 13. Перед глазной линзой окуляра и выходным зрачком 15 устанавливается светофильтр 14. Такая оптическая схема получила наименование Т-образной схемы. Предел измерения оптической разности хода - от 0 до 5 интерференционных порядков. Погрешность измерения - 0.05 интерференционных порядков.

 

Схема типичного фотоэлектрического модуляционного поляриметра, позволяющего измерять меняющуюся во времени разность фаз о- и е-лучей, показана на рисунке 2.12.

 

 

 

Рисунок 2.12 - Опическая схема фотоэлектрическиого модуляционного поляриметра

 

(пояснения в тексте)

 

Лучистый поток источника  света 1 сверхвысокого давления проходит через иитерференционный светофильтр 2, поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления колебаний в о- и е-лучах составляют углы p/4 с направлением колебаний в луче, вышедшем из поляризатора. Выходящий из объекта 4 эллиптически поляризованный свет попадает на пластину 5, изготовленную из одноосного кристалла (например, кристалла ADP - дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, вырезанную так, что ее плоскости перпендикулярны оптической оси) позволяющего реализовать эффект Поккельса и обеспечить модуляцию проходящего светового потока. При приложении к пластине 5 переменного электрического напряжения в направлении, параллельном оси лучистого потока и оптической оси кристалла, последний становится двухосным. Новые оптические оси образуют симметричные углы p/4 с прежним направлением оси, а проходящий через нее свет претерпевает двойное лучепреломление. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна напряжению электрического поля и не зависит от толщины пластины 5. В связи с возникающей переменной разностью фаз эллиптически поляризованный свет периодически меняет форму эллипса поляризации. В результате на выходе компенсатора 6 плоскость линейно поляризованного света колеблется относительно среднего положения. После анализатора 11 модулированный поток света попадает на фотодетектор 10, сигнал с которого с основной частотой,  соответствующей первой гармонике, поступает в усилитель 8 и приводит в действие сервомотор 9, поворачивающий анализатор 1l до тех пор, пока первая гармоника присутствует в сигнале. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотодетектор падает минимальный поток излучения. Регистрирующее устройство 7 (например, самописец) фиксирует углы поворота анализатора, причем измеряемая разность фаз равна удвоенному углу поворота анализатора.

 

3.  Методические указания  к выполнению лабораторной работы 

 

     “Поляриметрическое  определение концентрации вещества 

 

       в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”

 

 

 

Цель работы: Изучение принципа работы поляриметра. Определение концентрации оптически активного вещества в  растворе. Экспериментальная проверка закона Био на разных длинах волн.

 

 

 

Краткая теория

 

 

Рисунок 1 – “Мгновенный  портрет”

 

 электромагнитной волны. 

Световые волны представляют собой поперечные электромагнитные волны. В такой волне вектор напряженности  электрического поля E перпендикулярен  вектору напряженности магнитного поля H и направлению распространения  волны r (рисунок 1). Плоскость, содержащую луч и электрический вектор, называют плоскостью колеба-

 

 

ний, а плоскость, содержащую луч и магнитный вектор - плоскостью поляризации. Плоскополяризованный свет можно получить из естественного света с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

 

 

Рисунок 2 - Прохождение

 

плоскополяризованного света

 

через поляризатор П 

Если пропустить через  поляризатор П плоскополяризованный свет так, чтобы плоскость колебаний вектора Е составляла с плоскостью поляризатора АА¢угол j (рисунок 2), то через него пройдет только параллельная составляющую ЕJ вектора Е. Амплитуда прошедших через поляризатор колебаний будет равна

 

ЕJ=½Е½cosj                      (1)

 

 

На практике измеряют обычно интенсивность, а не амплитуду. Интенсивность  пропорциональна квадрату амплитуды, тогда для прошедшей через  поляризатор интенсивности I можно  записать

I=I0cos2b. (2)

 

 

Соотношение (2) носит название закона Малюса.

 

При прохождении плоскополяризованного света через чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) некоторые растворы (водные растворы сахара, винной кислоты и др.) и кристаллические вещества (кварц, рутил и др.) изменяется пространственная ориентация плоскости колебания вектора E, то есть плоскость поляризации поворачивается. Такие вещества называются оптически активными.

 

Явление вращения плоскости  поляризации схематически показано на рисунке 3. Как видно из рисунка, ориентация плоскости колебаний  вектора E после прохождения оптически  активного вещества изменяется на угол Dj. В этом случае говорят, что произошел поворот плоскости поляризации на угол Dj.

 

 

 

     Рисунок 3 - Явление  вращения плоскости поляризации.

 

В работе используется экспериментальная  установка (модифицированный поляриметр СМ-3), блок-схема которой показана на рисунке 4.

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Блок-схема экспериментальной  установки:

 

1- источник излучения (светодиод), 2-поляризатор, 

 

3-гнездо для кюветы  с раствором оптически активного  вещества,

 

4-анализатор, 5-шкала поворота  поляризатора, 6-телескопическая система

 

Порядок выполнения работы

 

Приготовление растворов  исследуемых веществ

 

и подготовка к измерениям

 

Используя лабораторные весы и мерные колбы (мензурки) приготовить  требуемые серии растворов исследуемого оптического активного вещества и

 

рассчитать их концентрацию.

 

С помощью фильтрованной  бумаги, смоченной растворителем, тщательно  протереть внутреннюю часть кюветы поляриметра, после чего заполнить  ее исследуемым раствором. Заполнять  кювету раствором до тех пор, пока на верхнем ее конце не появится выпуклый мениск (от сдвигается в сторону при контакте с покровным стеклом). Положить на покровное стекло резиновую прокладку и все завернуть прижимной гайкой. После заполнения кюветы исследуемой жидкостью покровные стекла с наружной стороны кюветы тщательно протереть. В кювете не должно оставаться воздушных пузырей. Если же они имеются, их заводят в утолщенную часть кюветы, где они не будут мешать наблюдению.

 

 

 

Задание 1. Определение концентрации сахара по углу поворота

 

                   плоскости поляризации

 

Раствор сахара является оптически  активным веществом. Как известно, величина угла поворота Dj плоскости поляризации линейно поляризованного света прямо пропорциональна концентрации с оптически активного вещества и длине пути L, пройденного светом в этом веществе. Таким образом,

 

 

Рисунок 5 - График зависимости  Dj от с 

график зависимости Dj  от с представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (при постоянной L). Используя график этой зависимости (рисунок 5), можно определить неизвестную концентрацию оптически активного вещества. Для этого достаточно измерить величину Dj при той же длине L и по графику найти значение концентрации Сх, соответствующей измеренной величине Dj.

 

 

Порядок выполнения

 

Водный раствор сахара залить в четыре кюветы одинаковой длины. Концентрация сахара в трех кюветах  известна, а концентрацию в четвертой  кювете надо определить.

 

1. До размещения кюветы  в гнезде поляриметра установите  анализатор в положение j=j0. Это  означает, что плоскость поляризации  излучения совпадает с плоскостью  пропускания анализатора. Определение  нулевого отсчета производят  с кюветой, наполненной дистиллированной  растворителем, в котором в  последующем будет растворяться  оптически активное вещество.

 

2. Вставьте в гнездо  поляриметра кювету с известной  концентрацией раствора. Плавно  поворачивая кювету вокруг ее  оси, добейтесь максимального  отклонения стрелки прибора. Наличие  кюветы с раствором на пути  излучения источника света приводит  к повороту плоскости поляризации  светового луча, поэтому теперь, при ориентации анализатора под  углом j=j0, интенсивность прошедшего  через анализатор светового пучка  будет меньше максимальной. Медленно  поворачивая анализатор, найдите  такую его ориентацию, при которой  интенсивность света будет максимальной. Зафиксируйте значение концентрации С и соответствующие значения j=j1. Рассчитайте величину угла поворота Dj плоскости поляризации света в результате его прохождения через раствор:

Dj=j0-j1. (3)

 

 

3. Повторите это действие, используя растворы с известной  (не менее четрех) и неизвестной концентрацией сахара.

 

4. Постройте графики зависимости  Dj=f(C) для эталонных растворов, и по этому графику определите концентрацию Сх а погрешность ее определения.

 

Задание 2. Экспериментальная  проверка закона Био на  различных

 

                   длинах волн. Исследование зависимости удельного вращения

 

                   от длины волны света

 

Закон Био определяет угол поворота j плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой аморфного вещества с естественной оптической активностью (твёрдое тело, раствор или пары):

 

 

j=alc , (3)

 

 

где a - постоянная вращения, l - толщина слоя вещества, с - его концентрация. В зависимости от направления поворота плоскости поляризации различают право- и левовращающие вещества. Био закон выражает пропорциональность угла поворота j числу молекул на пути светового луча. Значение a определяется природой вещества, слабо зависит от температуры, существенно - от длины волны света l (в первом приближении a~1/l 2, и изменяется более сложным образом вблизи полос поглощения вещества) и может значительно изменяться при изменении растворителя вследствие влияния последнего на внутримолекулярные процессы в растворённом веществе.

 

В области прозрачности и  малого поглощения зависимость удельного  вращения от длины волны может  быть описана более точным выражением, получившим название формулы Друде:

, (4)

 

 

где Bi - весовые коэффициенты вкладов в оптическую активность al на длине волны l, связанную с наличием собственных полос поглощения с максимумами при длинах волн li.

 

Э. Коттон, изучавший оптическую активность для излучений с длинами волн, близкими к длине волны максимума полосы поглощения, обнаружил аномальную оптическую активность - увеличение a с ростом l, а также различие показателей поглощения при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей - так называемый круговой дихроизм, или эффект Коттона. Вследствие кругового дихроизма вблизи полос собственного поглощения не только поворачивается плоскость поляризации света, исходно поляризованного линейно, но и одновременно этот свет превращается в эллиптически поляризованный.

 

Порядок выполнения

 

1. Выполнить действия 1¸3  Задания 1, используя по пять растворов известной концентрации заданного оптически активного вещества; измерения удельного вращения a  провести для белого света,  и в синем, зеленом, желтом и красном диапазонах спектра. Определить направление вращения плоскости поляризации и рассчитать средние значения удельного вращения при различных длинах волн .

 

2. Построить графики зависимостей  Djl=f(C) и =f(l). Проверить гипотезу о выполнимости закона Био для каждой из использованных спектральных областей. Определить аналитическое выражение зависимости =f(l), рассчитать коэффициент корреляции экспериментальной и полученной аналитической зависимости =f(l) и погрешность ее параметров.

 

3. Проанализировать полученные  результаты.

 

Вопросы для контроля

 

1     Что такое  поляризация света, ее виды  и характеристики. Какие источники  света испускают поляризованное излучение и почему излучение нагретых тел не является поляризованным?

 

2     Какие способы получения поляризованного света известны? Как можно отличить естественный свет с круговой поляризацией?

 

3     Объясните принцип поляририметрии. В чем заключается смысл законов Малюса и Био?

 

4     Каков механизм поворота поляризации в оптически активных средах? Объясните зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны.

 

5     Дайте определение лучевой и нормальной скоростей для анизотропного кристалла.

 

Заключение

 

Поляриметрия широко применяется для исследования оптически активных веществ. Методами поляриметрии анализируются атмосфера и океаны, различные объекты окружающей среды, промышленные изделия и продукты переработки предприятий. Эффективно эти методы используется в электронной промышленности, в медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических проблем.  Методы поляриметрии методы рассматриваются в ряде предметов специальности “Физика”, например, в курсах “Оптические измерения” и “Строение и методы исследования вещества”.

 

В то же время имеется ряд  особенностей исследования  оптической активности химических соединений, что  связано с неаддитивностью явления, не позволяющей вести расчёты на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество квазимонохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

 

В данной дипломной работе рассмотрены основные характеристики поляризованного излучения, методы поляриметрии и типовое оборудование. Разработаны методические указания к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”.