Исследование оптически активных веществ

Лабораторная работа № 17

Приборы и принадлежности: поляриметр, осветитель, набор растворов с известной и неизвестной концентрацией, спирт, салфетки.

Цель работы: изучить физические основы работы поляриметра и определить концентрацию сахара в растворе.

Свет представляет собой электромагнитную волну, график которой представлен на рис. 1. Направление распространения электромагнитной волны называют световым лучом. Плоскость, в которой совершает колебания вектор напряженности электрического поля Е, называют плоскостью колебаний, а перпендикулярную ей плоскость, в которой совершает колебания вектор напряженности магнитного поля Н, называют плоскостью поляризации света. Свет, у которого электрические колебания совершаются только в одной плоскости, называется плоскополяризованным светом. Цуг волн, излучаемых отдельным атомом, является плоскополяризованным.

На практике реальный источник света состоит из множества атомов, испускающих световые волны так, как это показано на рисунке 2. Такой свет является неполяризованным и называется естественным. Для получения поляризованного света надо создать такие условия, при которых колебания вектора напряженности Е электрического поля могли бы совершаться только вдоль одного определенного направления. Подобные условия могут создаться при прохождении естественного света через среду, анизотропную в отношении электрических колебаний. Таким свойством обладают многие природные и искусственно созданные кристаллы, например, кварц, исландский шпат, турмалин, которые поляризуют проходящий сквозь них естественный свет. Прохождение света через анизотропную среду (кристалл) связано с рядом своеобразных явлений. В 1670 году Эразм Бартоломинус наблюдал, что при прохождении через исландский шпат световой луч разбивается на два. Это явление получило название двойного лучепреломления. Исследования показывают, что для одного из лучей отношение синуса угла падения к синусу угла преломления () остается постоянным при изменении угла падения. Этот луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной к поверхности кристалла в точке падения. Таким образом, он удовлетворяет обычному закону преломления. Этот луч называется обыкновенным. Второй луч называется необыкновенным. Для него отношение sin i₁/sin i₂ не остается постоянным при изменении угла падения даже при нормальном падении света на грань кристалла. Оба луча, обыкновенный (о) и необыкновенный (е), поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 2), что и используется для получения поляризованного света. Поляризация света, прошедшего через кристалл турмалина, условно показано на рис. 3. Естественный свет, прошедший через пластинку 1 кристалла турмалина, вырезанную параллельно оптической оси 00^/ кристалла, полностью поляризуется, и электрические колебания совершаются только в плоскости Q. Интенсивность поляризованного света равна половине интенсивности падающего света. Следует иметь в виду, что в кристаллах имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично. Именно это направление называется оптической осью кристалла. В указанном направлении не происходит двойного лучепреломления. Кристаллы (кварц, исландский шпат, турмалин), у которых одно такое направление, называются одноосными, а если таких направления два (слюда), то двухосными. Отметим, что оптическая ось — это не какая-то одна линия, а определенное направление в кристалле: все прямые, проведенные в кристалле параллельно этому направлению, являются оптическими осями.

Если естественный луч (свет) идет вдоль оптической оси, то все его электрические колебания перпендикулярны ей. В таком случае, благодаря симметричному расположению частиц кристалла относительно оптической оси, все электрические колебания совершаются в одинаковых условиях и все они проходят через кристалл. Поэтому естественный луч, идущий вдоль оптической оси не поляризуется. При всех иных направлениях луча имеет место его поляризация. Если за пластиной 1 (рис. 3) расположена пластина 2 турмалина, ориентированная так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки 1, то через вторую пластинку луч не пройдет, так как его электрические колебания перпендикулярны главной плоскости Q пластинки 2. Если же оптические оси пластинок 1 и 2, как показано на рис. 4, составляют угол a, отличный от 90^о, то свет проходит через пластинку 2. Однако амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет связана с амплитудой Е_о световых колебаний, падающих на пластинку 1, следующим соотношением: Е = Е_о cos a.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, следовательно, I = I_o cos² a — закон Малюса,

где I_o — интенсивность света, падающего на пластинку 2; I — интенсивность света, прошедшего через эту пластинку.

Следовательно, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного луча сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через эту пластинку: максимум интенсивности наблюдается при a = 0^о; минимум, соответствующий полному гашению света, при a = 90^о. Пластинка 1, поляризующая естественный свет, называется поляризатором, а пластинку 2, посредством которой изменяется интенсивность поляризованного света (и тем самым обнаруживается факт поляризации), называют анализатором. Понятно, что обе пластинки совершенно одинаковы и их можно поменять местами.

В отличие от естественного света, поляризованный свет характеризуется не только интенсивностью, зависящей от амплитуды напряженности Е поля, описываемого законом Малюса, и цветом, зависящим от длины волны, но еще и положением плоскости колебаний. Оказалось, что некоторые вещества поворачивают (вращают) плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего сквозь них, не изменяя при этом амплитуды колебаний. Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света, а вещества, обладающие этим свойством, называются оптически активными.

К оптически активным веществам относятся ряд твердых тел (кварц, киноварь, исландский шпат, герапатит, турмалин) и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота, липиды, белки, мочевина и др.).

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке, называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении — левовращающими. Многие оптически активные вещества существуют в двух разновидностях — правовращающей и левовращающей.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света обусловлено особенностями структуры активных веществ — асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии.

Угол a поворота плоскости колебаний поляризованного света пропорционален толщине слоя l вращающего вещества, сквозь который проходит свет, а в случае раствора этот угол a пропорционален еще и концентрации С раствора.

a = j l C,

где j — удельное вращение, которое характеризует вращательную способность вещества. Из последнего выражения видно, что постоянная вращения будет определяться выражением:

.

Удельное вращение j зависит от температуры, свойств растворителя, длины волны света и приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны. Поэтому одно и то же активное вещество поворачивает плоскость колебаний волн различной длины на различные углы. Это явление называется вращательной дисперсией. Обычно угол поворота a возрастает с уменьшением длины волны l.

На вращении плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ.

Этот метод широко используется в сахарном производстве, пищевой промышленности, биофизических исследованиях и медицине для определения концентрации сахара в моче.

Важность подобных медицинских исследований связана с тем, что появление избыточного сахара обусловлено недостаточной функцией поджелудочной железы, приводящей к нарушению углеводного обмена и заболеванию человека диабетом.

Сущность этого метода состоит в следующем.

Свет (рис. 5) от источника S пропускают через светофильтр F и поляризатор (призму Николя) Р, превращая его в монохроматический поляризованный свет. Наблюдая в окуляр О поворачивают анализатор А таким образом, чтобы свет не проходил через него, т.е., как говорят “устанавливается анализатор на темноту”. Очевидно, что при этом главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны. Отсчет a₁ положения анализатора производят по лимбу К, имеющему угловые деления. Затем между поляризатором и анализатором помещают стеклянную трубку R, заполненную исследуемым раствором. При этом поле зрения окуляра просветлеет, поскольку раствор повернет плоскость колебаний на некоторый угол a.

Очевидно, что на такой же угол следует повернуть анализатор, чтобы вновь установить его на темноту. Выполнив это, снимают отсчет угла a₂ по лимбу К и находят угол a = a₁ -a₂. Пользуясь вышеуказанной формулой, находят концентрацию:

С = a / j l.

В нашей работе мы будем определять концентрацию сахара в растворе сравнительным методом по известной концентрации С раствора. Пусть известная концентрация раствора сахара С, а угол поворота плоскости колебаний a, тогда для этого раствора справедливо уравнение:

a = j С l,

из которого следует, что

j = a / С l. (1)

Если неизвестная концентрация раствора сахара С_х, а угол поворота плоскости колебаний этого раствора a_х, то, очевидно, справедливо будет следующее уравнение:

a_х= j С_хl,

откуда следует, что

С_х = a_х /j l.

Подставляя вместо j его значение из уравнения (1), будем иметь:

С_х = (a_х/a)С. (2)

Прибор, служащий для определения концентрации растворов оптически активных веществ, называется поляриметром, принципиальная его схема представлена на рис. 5. Поляриметр, предназначенный для измерения концентрации водных растворов сахара, называется сахариметром.

Дата добавления: 2014-01-04