Fizika_chast_3 / LAB55

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5-5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

ПРИ ПОМОЩИ САХАРИМЕТРА

Цель работы. Исследование зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации раствора;

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. При этом векторы Е и Н образуют с направлением распространения право-винтовую систему (рис.1).

Рис.1

Вектор напряженности электрического поля Е световой волны обычно называют световым вектором. Свет, в котором направления колебаний вектора Е упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Если световой вектор колеблется по прямой линии, то свет называют линейно поляризованным (или плоско поляризованным). Когда вектор Е описывает эллипс, говорят об эллиптической поляризации. Если же световой вектор описывает окружность, то говорят о круговой поляризации.

Такое поведение вектора Е совершенно аналогично пoведению изучаемой в механике механической системы, в кoтopoй происходит сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты.

В естественном свете колебания светового вектора совершаются хаотически. Такой свет является не поляризованным. Это связано с тем, что световая волна в этом случае слагается из множества волн, испускаемых отдельными атомами случайно независимым друг от друга образом.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания одного направления, которое иногда называют направлением поляризации (рис.2). На этом рисунке такие направления поляризации условно обозначены стрелками. После поляризатора П естественный свет становится плоскополяризованным.

Рис.2

Поляризатор, стоящий на пути поляризованного света называют анализатором. Если направление поляризации анализатора перпендикулярно направлению колебаний вектора Е поляризованного света (как это имеет место для анализатора А на рис. 2), то свет через анализатор не пройдет.

При прохождении пучка поляризованного света через некоторые вещества свет остается линейно поляризованный, но плоскость колебаний электрического вектора Е и, соответственно, плоскость поляризации, поворачиваются на некоторый угол. Вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации, называются оптически активными, а само явление – вращением плоскости поляризации.

Оптическую активность проявляют некоторые кристаллы (кварц), жидкости (скипидар, никотин), а также растворы рада веществ в воде (например, сахарозы, глюкозы, винокаменной, яблочной и миндальной кислот), растворы камфоры, стрихнина в спирте и т.п.

Вращение плоскости поляризации связывают с асимметрией строения оптически активного вещества. Молекулы таких веществ не имеют центра или плоскости симметрии. К их числу относятся молекулы большинства органических соединений. Среди оптически активных веществ встречаются такие, которые существуют в виде двух модификаций, являющихся зеркальным отражением друг друга, обладающих правым и левым вращением плоскости поляризации; и есть такие, которые всегда вращают плоскость поляризации в одну сторону (сахар, нефть, белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и т.п.)

Вращение плоскости поляризации можно объяснить взаимодействием электромагнитного поля с веществом в пределах одной молекулы.

Рассмотрим простейшую модель асимметричной молекулы в форме спирали. Пусть на такую молекулу, диаметр витка которой равен а, падает плоско поляризованная волна, световой вектор которой ориентирован вдоль оси у (рис.3).

Электрическое поле волны вызывает в молекуле (в спирали) движение зарядов вдоль оси у, что приведет и излучению электрического поля в том же направлении у. Но если заряды могут двигаться в спирали вдоль оси у, то неизбежно возникнет их движение и вдоль оси х, т.е. появится небольшая составляющая поля вдоль х.

Рис.3

Складывая и , получим результирующее поле , отклоненное на малый угол  от первоначального направления .

Угол поворота плоскости поляризации  для оптически активных растворов прямо пропорционален концентрации С вещества. Это свойство используется для определения, например, концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектов (например, в крови и др.).

Для водных растворов оптически активных веществ угол поворота  светового вектора определяется концентрации и растворимого вещества С, длиной пути L, проходимой свечой в растворе, и величиной удельного вращения [].

(1)

Удельное вращение обычно выражают величиной угла поворота светового вектора при прохождении светом раствора толщине в 1 дециметр, при концентрации растворенного вещества, равной 1 г/см³. Его величина зависит от температуры и длины волны (обычно [] ~ 1/²) проходящего света.

У сахара для желтой линии удельное вращение [] составляет 66,5 град см³/(г.дм).

Зная длину пути L в (1) и измеряя угол вращения  раствора известной концентрации, можно вычислить удельное вращение []. Затем по измеренный значениям  и известному значению [] можно определить концентрацию исследуемого раствора. Определение угла вращения осуществляется с помощью сахариметра и поляриметров.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ САХАРИМЕТРА

Если поляризатор и анализатор установлены так, что их направления поляризации перпендикулярны, то очевидно, свет после анализатора проходить не будет. Однако, если между ними поместить оптически активное вещество, то в монохроматическом свете наблюдается просветление поля вследс­твие некоторого поворота светового вектора Е (рис.4.).

Вращая анализатор, это поле можно погасить. Угол поворота анализатора и будет являться углом вращения . Измерение  подобным образом оказывается крайне приближенным, так как человеческий глаз не может точно отметить положение, в котором анализатор установлен на полное затемнение поля зрения. Поэтому при измерениях применяются полутеневые поляриметры, устанавливаемые не на темноту поля зрения, а на равное освещение двух половин поля зрения. Полутеневые поляриметры позволяют измерить поворот светового вектора с точностью до 0,01°.

В полутеневом поляриметре поле зрения по вертикали разделено пополам (рис.5). Два поляризатора П₁ и П₂ пропускают свет соответственно в левой и правой половине поля в направлениях колебания вектора Е, составляющих между собой малый угол (около 2°, подробнее см. цитируемую литературу).

Рис.5

Если анализатор в отсутствие активного вещества располагается так, что его направление поляризации А перпендикулярно вертикали (рис.5), то обе половины поля зрения будут одинаково и слабо (так как П₁ и П₂ почти что перпендикулярны к А освещены (дадут полутень). Активное вещество повернет световые вектора против часовой стрелки (рис.5б), либо по часовой стрелке (рис.5в), что зависит от свойства вещества. Из рисунка ясно, как это отразится на поле зрения. Поляриметры, используемые для определения концентрации раствора сахара (сахарозы, глюкозы и др.), называют сахариметрами.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Установка прибора на нуль вблизи полного затемнения поля зрения. Поместить в камеру прибора (М) поляриметрическую трубку с нулевой концентрацией раствора. Вращая рукоятку кремальерной передачи R (рис.6) добиваются полной однородности обеих половин зрения сахариметра или тройного поля поляриметра, наблюдая его в окуляр L₁.

Рис.6

При этом нулевые деления шкалы и нониуса, видимые в верхнем окуляре L₂, должны совпасть. Если этого нет, то следует определить отклонение прибора от его нуля и в последующие измерения вводить найденную поправку (рис.7).

Рис.7

Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство освещенности оказался относительно нулевого штриха лимба смешенным по часовой стрелке, то поправке на "0" приписывается знак "+"; если против часовой стрелки - знак "-". Определение нуля прибора _oi, произвести 5 раз.

2.Поместить залитую раствором известной концентрации активного вещества трубку в камеру прибора (М) и измерить угол поворота плоскости поляризации с точностью до 0,1°. Замеры углов повторить для каждой трубки 3-5 раз.

3.Опыт повторить с остальными трубками, одна из которых заполнена раствором неизвестной концентрации. Результаты опыта свести в таблицу.

Таблица

№ трубки	Концентрация раствора, С, г/cм^3	Отсчет при наличии трубки,i		Угол вращения

4.Построить зависимость угла поворота  плоскости поляризации от концентрации С активного вещества.

5.По графику найти неизвестную концентрацию.

6.По графику определить удельное вращение, используя то обстоятельство, что тангенс угла наклона усредненной прямой численно равен значению []. Поэтому

где значения С₁ и С₂ удобно выбрать наименьшим и наибольшим соответственно. Очевидно, наименьшее значение С₁ =  = 0.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что представляет из себя свет?

2.Что называют световым вектором?

3.Какой свет называют поляризованным?

4.Какие виды поляризации света вы знаете?

5.Почему естественный свет не поляризован?

6.С помощью чего поляризуется естественный свет?

7.Что такое анализатор?

8.Как устроена призма Николя?

9.Какие вещества называют оптически активными?

10.В чем состоит явление вращения плоскости поляризации?

11.Какой зависимостью связан угол вращения с концентрацией вещества?

12.Каков смысл удельного вращения [], и от чего он зависит?

13.Как устроен полутеневой поляриметр?

14.Как определяется нуль прибора и угол вращения ?

15.Как экспериментально определить неизвестную концентрацию раствора?

ЛИТЕРАТУРА

1.Физический практикум. Электричество и оптика, ред.В.И.Иверонова, М.: ВШ, 1968.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: высш.шк., 1989.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш.шк., 1985.

7