Применение поляризованного света для определения концентрации сахара в растворе

Лабораторная работа №47

Применение поляризованного света для

определения концентрации сахара в растворе

Приборы и принадлежности: сахариметр, трубки с растворами сахара известной и неизвестной концентрации.

Цель работы: изучение поляризации света, знакомство с устройством и работой сахариметра; определение удельного угла вращения плоскости поляризации для раствора сахара; определение концентрации неизвестного раствора сахара.

ВВЕДЕНИЕ

Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации света, называют оптически активными, а способность вращать плоскость поляризации – оптической активностью.

Этот эффект наблюдается у ряда кристаллических и аморфных тел, а также у целого ряда чистых жидкостей и растворов многих веществ (например: растворы углеводов, кварц, сахар, патока, кровь.) Вращение плоскости поляризации связано с асимметрией строения молекул или кристаллов активного вещества.

Так как угол поворота плоскости поляризации раствора прямо пропорционален толщине слоя раствора и его концентрации (закон Био):

j =A ּC ּ ℓ,                                             (1)

то измерение угла вращения плоскости поляризации используется для нахождения, например, концентрации сахара в производственных растворах или в медицине для диагностики такого заболевания, как сахарный диабет и других.

В уравнении (1) А - коэффициент пропорциональности, называемый удельным углом вращения плоскости поляризации. Из (1) следует, что удельный угол вращения есть угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении слоя вещества единичной толщины с единичной концентрацией.

Удельный угол вращения зависит от рода растворенного вещества, т.е. служит его характеристикой. Этот угол сильно зависит от длины волны l(A~), слабо – от температуры раствора и практически не зависит от агрегатного состояния вещества. Растворы многих углеводов, в том числе, сахара, обладают большой вращательной способностью. Приборы дляопределения концентрации сахара поуглу поворота плоскости поляризации называются сахариметрами.

        O1              П                      Т             U             А         O2

 I                                                                                       

 

Рисунок 1

На рис.1 изображена схема сахариметра. Свет от источника 1 линзой О1 направляется в поляризатор П, проходит через трубку Т с испытуемым раствором, идет через анализатор А и лупой О2 направляется в глаз наблюдателя. Поляризатором света называется устройство, служащее для получения поляризованного света из естественного. Напомним, что плоская волна называется линейнополяризованной или плоскополяризованной, если электрический вектор Е распространяющейся электромагнитной волны на всем ее пути лежит в одной и той же плоскости, проходящей через направление луча. Эта плоскость называется плоскостью колебаний. Перпендикулярная ей плоскость, в которой колеблется магнитный вектор Н, называют плоскостью поляризации света (рис.2).

Поляризатор выделяет из всех возможных направлений колебаний векторов Е и Н в естественном свете одно вполне определенное направление вектора Е и перпендикулярное ему направление Н, гася все остальные. Для получения плоскополяризованного света можно использовать несколько различных явлений:

1)  отражение от поверхности диэлектрика,

2)  преломление,

3)  двойное лучепреломление.

                                           Плоскость колебаний

               Е

 

K

  Н

                                          Плоскость поляризации

Рисунок 2

В сахариметре поляризатором служит призмаНиколя, использующая явление двойного лучепреломления. Явление двойного лучепреломления состоит в том, что луч естественного света при падении на границу некоторых веществ (кристаллов,  полимерных пленок), обладающих оптической анизотропией, при переходе в эти вещества разделяется на два луча, поляризованных во взаимноперпендикулярных плоскостях и различающихся скоростью распространения, а значит, и показателем преломления. Скорость одного луча Со, называемого “обыкновенным”, не зависит от направления распространения в веществе, а второго Се “необыкновенного” – различна по разным направлениям. Именно это и наблюдается в кристаллах типичного двоякопреломляющего вещества – исландского шпата, из которого изготовлена призма Николя. Ее устройство и ход лучей в ней показаны на рис.3.

 

 

                                                     

Рисунок 3

Ромбический кристалл, вырезанный определенным образом, распилен по короткой диагональной плоскости и склеен оптическим клеем – канадским бальзамом. Луч естественного света, идущий от источника 1, в точке С разделяется на обыкновенный луч Со и необыкновенный Се. Точки и стрелки на лучах указывают направление поляризации лучей, 00 – оптическая ось кристалла, т.е. направление, в котором скорости обыкновенного и необыкновенного лучей равны и двойное лучепреломление, поэтому отсутствует. Показатель преломления канадского бальзама таков (1,55), что он больше показателя преломления исландского шпата для необыкновенного луча (1,49), но меньше показателя преломления шпата для обыкновенного луча (1,66). Поэтому при падении обыкновенного луча на склейку под углом больше предельного угла он через склейку не проходит, полностью отражается ею, и затем поглощается зачерненной нижней гранью кристалла, т.е. не выходит из него. Таким образом, из призмы выходит один поляризованный луч. Если на пути поляризованного луча интенсивностью Jо поставить вторую призму Николя (анализатор), то интенсивность J прошедшего через него света по закону Малюса будет зависеть от угла    между главными плоскостями поляризатора и анализатора: 

                                           (2)

Из (2) следует, что при a=0 (плоскости поляризатора и анализатора параллельны) интенсивность прошедшего света будет максимальна, а при a=90° (говорят: призмы Николя “скрещены”, а их плоскости взаимно перпендикулярны), интенсивность прошедшего света, равна нулю, т.е. поле зрения полностью затемнено.