Лабораторна робота №15

ВИВЧЕННЯ ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ОПТИЧНО АКТИВНИМИ РЕЧОВИНАМИ ТА ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ЦУКРУ В РОЗЧИНІ ЗА ДОПОМОГОЮ ПОЛЯРИМЕТРА

Мета роботи:

1. Ознайомлення з явищем оптичної активності.

2. Визначення концентрації цукру в розчині.

Обладнання: напівтіньовий поляризатор; трубки з розчином цукру різної концентрації.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Важливою характеристикою теоретичного і практичного розуміння явищ молекулярної оптики, зокрема взаємодії поляризованого світла з речовиною, є явище обертання площини поляризації.

При проходженні плоскополяризованого світла через деякі речовини спостерігається поворот площини коливань електричного вектора або, як говорять, обертання площини поляризації. Такі речовини називають оптично активними. До них відносять кристалічні тіла (наприклад: кварц, кіновар), чисті рідини (скипидар, нікотин) і розчини оптично активних

речовин у неактивних розчинниках (водяні розчини цукру, винної кислоти та ін.)

Рис. 1.

Напрям обертання плоскості поляризації прийнято встановлювати для спостерігача, що дивиться назустріч світловому променю. Якщо площина поляризації повертається за годинниковою стрілкою, то речовина називається правообертаючою, в іншому випадку – лівообертаючою.

Явище обертання площини поляризації світла пояснюється таким чином. Лінійно поляризоване світло можна представити як суперпозицію двох право- і ліво поляризованих по колу хвиль і , що мають однакові частоти й амплітуди.

Як очевидно з рис. 1, сума двох векторів («лівого» і «правого») дорівнює подвоєній проекції будь-якого з них на діаметр, тобто вектору, напрямок якого постійний, а модуль змінюється за періодичним законом з частотою w. Це і є лінійно поляризована хвиля. Френель запропонував, що в оптично активних речовинах світлові хвилі, поляризовані по колу вправо і вліво, поширюються з різними швидкостями.

Для правообертаючих речовин V_ПР > V_Л, n_ПР < n_Л, а для лівообертаючих речовин V_ПР < V_Л, n_ПР > n_Л, де V_ПР і V_Л – швидкості поширення світла з правою і лівою поляризацією, а n_ПР і n_Л – відповідні показники заломлення.

У цьому випадку, при проходженні через оптично активну речовину один із векторів, наприклад буде відставати у своєму обертанні від вектора . Тому сумарний вектор повертається у бік більш швидкого вектора і на виході з оптично активної речовини займе положення ЕМ. Кут повороту буде дорівнювати j.

Різниця у швидкості поширення світла з різними напрямками кругової поляризації зумовлена асиметрією молекули або асиметричним поширенням атомів у кристалі. Молекули право- і лівообертаючих речовин – дзеркальне відображення одна одної.

Кут j,на який повертається площина поляризації в розчинах, прямо пропорційний товщині шару розчину L і концентрації оптично активної речовини С.

j = j₀LC, (1)

де j₀ коефіцієнт, який називається питомим обертанням розчиненої речовини (постійна обертання). Постійна обертання залежить від температури (ця залежність слабка і нею можна знехтувати), і довжини хвилі падаючого світла (дисперсія обертальної здатності), і приблизно обернено пропорційна квадрату довжини хвилі світла.

Знаючи товщину шару розчину, постійну обертання і вимірявши експериментально кут повороту площини поляризації, можна обчислити концентрацію оптично активної речовини в розчині. Такий спосіб визначення концентрації широко використовується в заводських, медичних і науково- дослідницьких лабораторіях.

ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ І МЕТОДУ ВИМІРЮВАННЯ:

Для визначення кута повороту площини поляризації можна використовувати систему, що складається з поляризатора й аналізатора, спочатку схрещених (настроєних на темноту). Якщо між ними вмістити оптично активну речовину, то поле зору просвітліє. Кут повороту площини поляризації буде дорівнювати куту повороту аналізатора, необхідного для відновлення темноти.

Прилади, що дозволяють знайти кут повороту площини поляризації, називають поляриметрами. У лабораторній роботі використовують поляриметр, схема якого зображена на рис.2.

Рис. 2

Від джерела 1 світло проходить через світлофільтр 2, систему лінз 3, після якої перетворюється в пучок, що паралельно поширюється. Потім проходить через поляризатор 4, бікварц Солейля, трубку 5 із досліджуваною оптично активною речовиною, клиновидний компенсатор 7, аналізатор 8 і потрапляє в окуляр 9. Поляризатором і аналізатором у поляриметрі є призми Ніколя. Ручка 10 регулює кут повороту площини коливань світла компенсатором, 11- відлікова лупа шкали компенсатора.

Рис. 3.

Призма Ніколя являє собою призму з ісландського шпату, що вирізана, як показано на рис. 3. По лінії BD призма розрізана і склеєна канадським бальзамом, показник заломлення якого лежить між показниками заломлення n_о і n_е (n_е > n_кб > n_о) для звичайного і незвичайного променів оптична вісь кристала MN складає кут 48° з вхідною гранню АВ.

Звичайний промінь зазнає повного внутрішнього відбиття на прошарку канадського бальзаму і поглинається затемненою нижньою гранню АD. Незвичайний промінь виходить з кристала, зберігаючи свій напрям.

Рис. 4а Рис. 4б Рис. 4

Таким чином, пучок незвичайних променів, що виходять з призми, розділяється на два плоскополяризованих пучки, лівий і правий, площини поляризації яких складають між собою малий (6°-7°) кут.

Вимір кута за допомогою установки аналізатора на повне затемнення поля зору спочатку без трубки з оптично активним розчином, а потім з нею – недостатньо точно, тому що людське око малочутливе до невеликих змін абсолютної яскравості рівномірно освітленого або затемненого поля зору. Проте око дуже чутливе до найменшої різниці в яскравостях суміжних частин поля зору одного кольору. Цю властивість ока використовують, коли вводять між поляризатором 4 і аналізатором 8 напівтіньовий аналізатор (бікварц Солейля), (див. рис. 2).

Бікварц Солейля складається з двох половинок циліндрів, розрізаних по діаметру (див. рис. 4,а). Одна частина циліндра виконана з лівообертаючого кварцу, а друга – із правообертаючого. З введенням бікварца Солейля пучок світла, що падає на аналізатор, виявляється розділеним на дві частини.

Одна частина пучка буде складатися з поляризованого світла, що пройшло через правообертаючий кварц, інша – через лівообертаючий. Внаслідок оптичної активності кварцу площина коливань світла буде повертатися на деякий кут лівою частиною вліво, а правою частиною - вправо (див. рис. 4,б). Площина світлових коливань в обох частинах буде різноманітна. В результаті цього інтенсивність променів, що пройшли через аналізатор, буде в загальному випадку в правій і лівій частинах пучка неоднакова.

В цьому випадку поворотом аналізатора не можна одержати одночасно повне затемнення всіх частин поля зору, але можна поставити аналізатор так, щоб усі частини поля зору були однаково затемнені. Це відбувається, якщо площина світлових коливань, що пропускаються аналізатором, буде паралельна або перпендикулярна до бісектриси кута між напрямками коливань світла в крайніх частинах пучка (див.рис.4,б). При цьому амплітуди коливань, що пропускаються аналізатором, будуть однаковими для всіх частин поля зору, а виходить, і яскравість усіх полів також буде однакова.

Одержати однакову яскравість усіх частин поля зору можна при двох взаємно перпендикулярних установках аналізатора: при одній з них яскравість поля більше, при іншій – менше. Друге положення фіксується точніше (чутливість ока вище при меншій освітленості). Тому аналізатор звичайно настроюють на затемнення (напівтемне поле). Це відповідає майже повному схрещенню поляризатора й аналізатора (83°-85°), оскільки кут, на який повертається площина коливань у кварці, 5°-7°.

До складу поляриметра входить клиновидний компенсатор 7 (див. рис 2). Він призначений для повороту площини коливань світла. У цьому випадку аналізатор установлюється нерухомо, а поворот площини коливань здійснюється за допомогою компенсатора (площина коливань світла на виході з компенсатора при цьому буде збігатися з площиною пропускання аналізатора).

Клиновидний компенсатор виконаний із пластинки правообертаючого кварцу 1 і двох клинів лівообертаючого кварцу 2, що можуть ковзати один відносно одного по діагональній площині (рис.5). У положенні а товщина пластинки правообертаючого кварцу 1 дорівнює товщині двох клинів 2 із лівообертаючого кварцу. В цьому випадку сумарний поворот площини коливань світла дорівнює на виході з компенсатора нулю. У положенні б товщина двох клинів 2 із лівообертаючого кварцу надається більша, ніж товщина пластинки 1. Площина коливань світла повертається вліво. У положенні б площина коливань повертається вправо. Пристрій, за допомогою якого пересуваються клини компенсатора, пов’язано зі шкалою, по якій можна визначити поворот площини коливань світлового пучка. Ручка 10 (див. рис. 2) регулює кут повороту площини коливань світла, що вноситься компенсатором. Через звітну лупу 11 (див. рис. 2) визначають по шкалі, пов’язаній з компенсатором, кут повороту.

Якщо досліджувана речовина оптично активна, вона повертає площини коливань усіх променів на визначений кут. Інтенсивності правої і лівої частин поля зору окуляра стають різними. Для відновлення однакової яскравості достатньо повернути площину коливань світлового пучка за допомогою компенсатора 7 (ручка 10, див. рис. 2) на деякий кут. Цей кут і буде дорівнювати куту повороту площини поляризації в досліджуваній речовині.

В лабораторній роботі необхідно визначити концентрацію цукрового розчину. Це можна зробити, виміривши кут повороту, довжину і використовуючи співвідношення (2), (3):

. (2)

Якщо постійна обертання j₀ невідома, то її можна визначити, виміривши кут повороту j_ і довжину трубки L₁ з відомою концентрацією цукрового розчину С₁. Відповідно до (2).

. (3)

Підставляючи (3) у формулу (2), отримаємо (4)

. (4)

Формула (4) є розрахунковою для даної лабораторної роботи.

В поляриметрі використовується принцип порівняння яскравостей пучка світла, розділеного на дві частини. Повертаючи площини коливань за допомогою компенсатора, можна зрівняти яскравості правої і лівої частин пучка при двох різних кутах. Але вимірювати необхідно при чутливому положенні, що характеризується тим, що частини поля зору точніше фіксуються однаковими при менших яскравостях, а також тим, що незначне обертання аналізатора викликає різке порушення рівності яскравостей різноманітних частин поля.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Рис.6

1. Ознайомтесь з будовою поляриметра. Вивчіть, користуючись відліковою лупою 11 (див. рис. 4), шкалу приладу (див. рис. 6). На нерухомому лімбі вправо і вліво від нуля нанесено 20 поділок. Ціна однієї поділки лімба 1°. В площині лімба на рухливій частині є два ноніуса - лівий і правий. Кожний ноніус розділений

на 10 поділок. Ціна поділки ноніуса 0,1°. (див. рис. 6).

2. Включіть джерело світла поляриметра.

3. Визначте нульовий відлік приладу. Для цього треба виконати таке:

а) переконайтеся, що в поляриметрі відсутня трубка з оптично активною речовиною;

б) встановіть окуляр на різке зображення лінії поділу (бікварца Солейля);

в) повертаючи ручку 10 (див. рис. 2), досягніть рівності яскравостей частин поля зору (у чутливому затемненому положенні).

Примітка: Якщо нульовий штрих ноніуса при установці на рівність яскравостей частин поля зору виявився зсунутим по годинниковій стрілці щодо нульового штриха лімба, то нульовому відліку приписується знак «+», якщо проти годинникової стрілки, то «-».

4. Повторити виміри 5 разів і обчислити середнє значення нульового відліку приладу.

5. Помістіть в поляриметр трубку з досліджуваним розчином і встановіть окуляр на різке положення лінії поля, що розділяє поле зору.

6. Повертаючи ручку 10 компенсатора (див. рис. 2), встановіть рівність яскравостей частин поля зору і визначте відповідний цьому положенню компенсатора кут.

7. Повторіть виміри 5 разів і обчисліть.

8. Визначте кут повороту площини поляризації як різницю кінцевого і нульового відліків. При розрахунках обов’язково враховуйте знак відліку.

9. Виконайте пункти 6-8 ще для двох трубок із досліджуваним розчином.

10 Результати вимірювань і обчислень занесіть у таблицю 1.

11. Використовуючи формулу (4), визначте концентрацію досліджуваного розчину цукру. Результати обчислень занесіть у таблицю 1.

12. За даними вимірювань побудуйте графік залежності j(С), використовуючи графік, визначте концентрацію цукру в досліджуваному розчині.

13. Визначте похибки вимірювань. Результати вимірювань подайте у вигляді таблиці.

Таблиця 1.

№ вимірювань	Кути повороту площини поляризації	Довжина трубок, см	Концентрація, %
a0	a1	a2	a3	L1	L2	L3	C1	C2	C3
Середнє значення

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Яке світло називається поляризованим? Сформулюйте закон Малюса.

2. Які речовини називаються оптично активними? Навести приклади оптично активних речовин.

3. Дайте пояснення явищу обертання площини поляризації.

4. Від чого залежить кут обертання площини поляризації?

5. Як влаштована призма Ніколя? Хід променів в ній.

6. Будова і принцип роботи поляроїда.

Дата добавления: 2015-06-04