Работа 7. Определение концентрации сахарного раствора сахариметром Теоретические сведения

Видимый свет, как известно, представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 410^-7 до 810^-7 м. В электромагнитной волне векторы напряженности электрического поля и магнитного поля взаимно перпендикулярны и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. Волны с такими свойствами называют поперечными.

Плоскость, проведенную через направления векторов напряженности электрического поля и световой луч, называют плоскостью колебаний электрического вектора.

Если для некоторого пучка света плоскость колебаний электрического вектора не изменяет своего положения в пространстве, то такой свет называют линейно - или плоскополяризованным.

Для получения линейно-поляризованного света используют специальные призмы, изготовленные из исландского шпата, и эти призмы называют поляризаторами. Аналогичные по устройству призмы, используемые для анализа поляризованного света, называют анализаторами.

Ряд веществ обладает способностью поворачивать плоскость колебаний вектора Е проходящего через них светового луча. Это явление называется оптической активностью. К оптически активным веществам относятся некоторые кристаллы и растворы (например, кварц и раствор сахара в дистиллированной воде).

Вращение плоскости поляризации объясняется особым расположением атомов в пределах молекулы оптически активного вещества.

Если между скрещенными поляризатором и анализатором поместить оптически активное вещество, то плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора, повернется вокруг светового луча на некоторый угол, и анализатор пропустит свет. Чтобы вновь погасить свет, необходимо повернуть анализатор на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. При прохождении поляризованного света через кристалл, угол поворота плоскости поляризации  пропорционален толщине активного слоя . При прохождении через оптически активный раствор,  пропорционален длине пути луча  и концентрации раствора с. Таким образом, для кристалла и раствора  выражается соотношениями

‚

‚

где ρ′ и ρ″ – удельное вращение для кристалла и раствора соответственно.

Удельное вращение для раствора ρ″ численно равно углу поворота плоскости поляризации при длине пути в 1 м и единичной концентрации активного раствора. Удельное вращение зависит от рода активного вещества и длины волны проходящего света.

Описание экспериментальной установки

Концентрация раствора сахара определяется прибором, который называется сахариметром. Его основными элементами являются поляризатор, анализатор и трубка с раствором сахара, помещенная между ними.

Так как точно установить поляризатор и анализатор «на темноту» невозможно, то в сахариметре применяется полутеневой поляризатор. Его изготавливают из поляризационной призмы Николя, разрезанной по двум плоскостям, симметричным плоскости главного сечения ОО′ (рис.1) и составляющим между собой небольшой угол 2. Клин, лежащий между этими плоскостями, вырезается, а затем обе половинки склеиваются. Каждая половинка представляет собой самостоятельный поляризатор, причем плоскости Р₁ и Р₂ колебаний электрического вектора лучей света, прошедших через них, образуют угол 2.

При прохождении обоих лучей через анализатор правая и левая половины поля зрения освещены одинаково только в том случае, если плоскость поляризации анализатора составляет одинаковые углы с плоскостями поляризации обоих лучей. Последнему условию удовлетворяет плоскость ОС (рис.2, а). Если на пути луча, вышедшего из поляризатора, поместить трубку с раствором сахара, то плоскости поляризации Р₁ и Р₂ повернутся на некоторый угол (рис.2, б), и освещенности правого и левого поля зрения будут различными. Для уравнивания освещенности полей в сахариметре имеется компенсирующий кварцевый клин, вращающий плоскость поляризации в сторону, обратную той, в которую вращает ее раствор сахара. Двигая клин, можно подобрать толщину кварца, при которой вращение, вызванное раствором, полностью компенсируется.

Оптическая схема сахариметра (рис.3) следующая: свет от источника 1 проходит через светофильтр 2, выделяющий узкую спектральную область. За светофильтром расположены поляризатор 3, трубка с раствором сахара 4, кварцевый клин 5 и анализатор 6.

На рис.4 показан внешний вид сахариметра. Источником света 1 служит лампа накаливания, укрепленная внутри прибора. Фильтр (красный) может быть введен в оптический канал с помощью вращения держателя 2. Трубка с исследуемым раствором сахара вкладывается в прибор через продольный вырез 3, закрывающийся шторкой. Две половинки поля зрения наблюдаются в окуляр зрительной трубки 5. Кварцевый компенсирующий клин перемещается винтом 4. С подвижным кварцевым клином связана шкала, которую можно наблюдать с помощью измерительного окуляра 6.

В поле зрения вспомогательного окуляра 6 видны основная шкала и нониус (рис.5, соответственно нижняя и верхняя части шкалы). Ноль основной шкалы расположен в центре. Отсчеты вправо от него берутся со знаком плюс, влево – со знаком минус. Нониус также имеет ноль посередине. Целое число градусов отсчитывается по основной шкале против нулевого деления нониуса. Десятые доли градуса определяются по нониусу обычным способом. Однако, если ноль нониуса сдвинут в положительную часть основной шкалы, то для нахождения десятых долей градуса используется правая часть нониуса; если же он сдвинут в отрицательную часть основной шкалы, то используется левая часть нониуса. Например, на рис.5, а отсчет равен  +1,55, а на рис.5, б  –6,30. Шкала прибора проградуирована в международных сахарных градусах. Ста градусам этой шкалы соответствуют 34,62 дуговых градуса.