Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
LAB / Лабы по оптике / 35 / опред.концентрации сахара 2.doc
Скачиваний:
89
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
763.9 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 35 Определение концентрации сахара в растворе при помощи поляриметра.

Цель работы: Ознакомление с явлением вращения плоскости поляризации света и методом экспериментального определения процентного содержания сахара в растворе с помощью поляриметра (сахариметра).

Приборы и принадлежности: поляриметр круговой СМ –3 с набором трубок, растворы сахара с известной и неизвестной концентрацией, дистиллированная вода.

  1. Краткая теория

Поляризацией света называется выделение линейно поляризованного света из естественного или частично поляризованного. Линейно поляризованный свет можно получить несколькими способами: при отражении от поверхности диэлектрика под углом Брюстера; при преломлении и рассеянии (частичная поляризация); при двойном лучепреломлении в кристаллах.

В общем случае в кристаллах имеется два направления, в которых не происходит двойного лучепреломления. Эти направления называются оптическими осями. У некоторых классов кристаллов оба направления совпадают, такие кристаллы называются одноосными (в отличие от двухосных). К двухосным кристаллам относится слюда, к одноосным – исландский шпат (СаСО3) и кварц (SiO2).

В одноосном кристалле луч, у которого направления колебаний вектора Ео перпендикулярны оптической оси, называется обыкновенным (о). Направления колебания вектора Ее второго луча, который называется необыкновенным (е), параллельным плоскости, проходящей через оптическую ось и направление этого луча (плоскость главного сечения).

Обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью υо=с/no, а необыкновенные – с разной скоростью υе=с/nе. Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, no=nе, υое, т.е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в υо и υе для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обусловливает явление двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах.

На рис. 1 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная оптическая ось совпадает с плоскостью чертежа, ОО′ - направление оптической оси). Волновой поверхностью обыкновенного луча (он распространяется с υ0=const) является сфера, необыкновенного луча (υеconst) – эллипсоид вращения. Эллипсоид и сфера касаются друг друга в точках их пересечения с оптической осью ОО′. Если υе< υо, то эллипсоид необыкновенного луча вписан в сферу обыкновенного луча и одноосный кристалл называется положительным (рис. 1, а). Если υе> υо, то эллипсоид описан вокруг сферы и одноосный кристалл называется отрицательным (рис. 1,б).

Рис. 1

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Такие вещества называются оптически активными. Оптическая активность обусловлена особым строением молекул (или кристаллической решетки).

Представим вещество, которое состоит из винтообразных молекул одинаковой формы (молекул с зеркальной симметрией нет). Пусть на такую молекулу падает линейно поляризованный свет, у которого направление колебаний вектора Е совпадает с осью z (рис. 2).

Рис. 2

Ось винтообразной молекулы расположена также параллельно z. Поле Еz волны вызовет движение электронов или вверх, или вниз по винтовой линии, в результате чего будет излучаться поле с направлением колебаний вдоль оси z. Возникает также и составляющая напряженности электрического поля вдоль оси х (Ех). Ех возникает в результате сложения напряженностей, которые создаются токами, протекающими по симметричным участкам винтовой линии (например, точки y1 и y2), в которых токи имеют противоположные направления.

Разность фаз волн, возбуждаемых этими участками, будет равна (А – диаметр винтовой линии; с – скорость распространения волн).

Эти волны погасят друг друга полностью, как бы это имело место при разности фаз π.

В результате сложения составляющих Еz и Ех получим общую напряженность Еφ, у которой плоскость колебаний оказывается смещенной на угол по сравнению с плоскостью колебаний падающих лучей.

К оптически активным веществам относится сахар в растворе, винная кислота и др.; активность здесь обусловлена строением молекул. В кристаллах кварца оптическая активность связана со строением кристаллической решетки – ионы Si++++ и Оˉ ˉ располагаются по винтовой линии вокруг оптической оси. При нарушении этого расположения (например, в плавленом кварце) оптическая активность исчезает.

Угол поворота плоскости поляризации при прохождении света через вещество, в котором происходит вращение плоскости поляризации, прямо пропорционален числу оптически активных молекул, находящихся на пути поляризованных лучей. Поэтому, если оптически активное вещество растворено в неактивном растворителе, то для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации (или что тоже – плоскости колебаний) пропорционален толщине d слоя вещества:

. (1)

Для водных растворов органических веществ, вращение плоскости поляризации зависит от концентрации

(2)

где α – угол поворота плоскости поляризации,

с – концентрация активного вещества в растворе (под концентрацией подразумевается количество граммов активного вещества, растворенного в 100 см3 раствора);

d – толщина слоя вещества (длина трубки с раствором активного вещества);

α0 – удельное вращение. (Удельное вращение раствора численно равно углу поворота плоскости колебаний поляризованного луча, прошедшего слой раствора длиной 1 дециметр при концентрации 1 г/см3).

Так как величина угла вращения плоскости поляризации зависит еще от длины волны света, то всегда должно быть указано при каких лучах производится измерение; чаще всего вещество характеризуется по вращению им плоскости и поляризации желтого цвета.

Явление вращения плоскости поляризации находит практическое применение при измерении процентного содержания сахара в растворе. Из формулы (2) следует, что если известны α, α0 и d, то нетрудно определить с:

(3)

или в процентах:

(3')

Приборы, позволяющие определять величину угла поворота плоскости поляризации поляризованного света, называются поляриметрами. Поляриметры, применяемые для определения концентрации сахара в растворах, называются сахариметрами.