МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. М.І.ПИРОГОВА

"Затверджено"

на методичній нараді

кафедри медбіофізики

Завідувач кафедри

Професор І.І. Хаїмзон

28. 08. 2012 р.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ДО ТЕМИ

ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ЦУКРУ В РОЗЧИНІ

ЗА ДОПОМОГОЮ САХАРИМЕТРА

Навчальна дисципліна	Медична і біологічна фізика
Модуль №3	Основи медичної біофізики
Змістовий модуль №7	Оптичні методи та їх використання у біології та медицині
Тема заняття №16.2	Визначення концентрації цукру в розчині за допомогою сахариметра. Лабораторна робота №25.
Курс	1
Факультет	Медичний №1

Вінниця -2012

1.Темa №16.2:визначення концентрації цукру в розчині за допомогою сахариметра. Лабораторна робота №25

Актуальність теми:

Поляризоване світло широко використовують в сучасній науці і практиці для:

• вивчення різних фізичних властивостей речовин;

• вивчення складу і будови молекул і, особливо, біологічних молекул (білків, ліпідів, ДНК, РНК тощо);

• дослідження оптично-анізотропних структур речовин і в тому числі тканин організму (м’язи, кістки, нервові волокна та інші);

• дослідження механічних напруг в складних технічних деталях і в тканинах організму (кістки, м'язи, сухожилля) з метою запобігання їх руйнування;

• вивчення швидко протікаючих процесів у речовинах, молекулах, при дії на них різного світла та радіоактивності.

ІІ. НАВЧАЛЬНІ ЦІЛІ:

Знати: що таке поляризація світла?

• що таке звичайні і незвичайні промені, їх властивості;

• поляризацію світла при відбиванні і заломленні світла; при подвійному променезаломленні;

• явище дихроїзму;

• формулу закону Брюстера та її фізичний зміст;

• джерела поляризованого світла; механізми утворення поляризованого світла в них;

• оптичну схему поляриметра (сахариметра);

• будову і принцип дії сахариметра СУ-3;

• що таке оптично-активна речовина,

• визначення оптичної вісі кристалу;

• що таке головна площина поляризації кристала?

• що таке питоме обертання оптично-активної речовини?

• використання поляризованого світла в біології та медицині;

• що таке спектрополяриметри, їх використання?

Вміти:

• визначати концентрацію цукру в розчині;

• нарисувати і пояснити хід променів у призмі Ніколя;

• записати і пояснити закон Біо;

• записати і пояснити закон Малюса;

• вміти пояснити, як залежить показник заломлення звичайного (n₀) і незвичайного (n_е) променів від напрямку в кристалі;

• вміти пояснити, чим відрізняються між собою аналізатор і поляризатор в сахариметрі і що в них спільне (чим вони не відрізняються).

ІІІ. МІЖДИСЦИПЛІНАРНА ІНТЕГРАЦІЯ

Назва попередніх дисциплін	Отримані базові знання
1. Курс фізики в обсязі програми для загальноосвітньої школи.	1.Поняття світлової хвилі.

ІV. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИХІДНОГО РІВНЯ ЗНАНЬ

Світлові хвилі – це електромагнітні хвилі, до яких крім видимого (неозброєним оком) відносять також інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання

V. Самостійна робота студентів

5.1. Нові терміни:

1. Природне світло: Розглянемо акт елементарного випромінювання світлової хвилі, наприклад, електроном. Така хвиля має дві складові: вектори напруженості і Вектор (надалі будемо розглядати лише його) завжди буде знаходитися в якійсь одній площині (рис.1), наприклад, ЕОr

Рис. 1

Таке світло надто слабке, щоб на нього могло відреагувати наше око. Виявляється, що повинно бути не менше 90 таких актів випромінювання в одну секунду, щоб людина помітила світло. Звичайна річ, що світло, яким ми в житті користуємось, ще складніше. У такого світла, внаслідок хаотичного руху елементарних джерел світла (електронів, атомів, молекул) присутні всілякі напрями коливань (площин коливань) векторів напруженості електричного поля а не так, як це показано на рис. 1, де вектор коливається лише в одній площині EOr. Тому таке світло називається природним.

Див. О.В. Чалий. Медична і біологічна фізика. Київ 2005 р. С. 524, рис.7.19

2. Поляризоване світло: Випромінювання, в якому коливання вектора Е відбуваються лише в одному напрямку, називається поляризованим (наприклад, випромінювання електрона в поодинокому акті). Площина, в якій розташовані вектор Е та вектор r, що визначає напрямок поширення випромінювання (тобто світловий промінь), називається площиною поляризації. На рис. 2а зображена площина поляризації А, а на рис 2б наведені умовні позначення поляризованого світла у взаємно-перпендикулярних площинах.

r

А

Рис. 2а

Площина поляризації (А)

• • • • r

Рис. 2б Умовні позначення поляризованого світла

Світло, в якому коливання вектора Е одного напрямку переважає коливання інших напрямків, називається частково поляризованим. Співвідношення символічних позначень та характеризує ступінь поляризації (рис.3). Поляризоване світло можна одержати з природного за допомогою приладів, що називаються поляризаторами.

• • r

Рис. 3 Умовне позначення частково поляризованого світла

3. Поляризація світла при відбиванні та заломленні: Розглядають наступні види поляризації:• лінійна або площинна; • кругова; • еліптична.

Ми вивчатимемо лише першу з них. Як нам вже відомо ще з середньої школи, світлові хвилі є поперечними. Поляризуватися можуть лише поперечні хвилі.

Світло називається плоскополяризованим або лінійно-поляризованим, якщо в ньому відбуваються коливання тільки в одному напрямі, перпендикулярному до напряму поширення хвилі. На межі розділення двох середовищ, наприклад, діелектрика і повітря, частина світлових променів відбивається, а частина заломлюється. Виявилося, що відбитий промінь і заломлений є частково плоскополяризованими. Причому, у відбитому промені коливання (вектора Е) відбуваються переважно перпендикулярно до площини падіння, а в заломленому – в площині падіння. При певному куті падіння променя природного світла на границю розділення середовищ, відбитий промінь виявляється повністю поляризованим.

4. Закон Брюстера: Якщо кут падіння світового променя на межу розділення середовищ рівний поляризаційному куту α_Б (куту Брюстера), то відбитий промінь буде повністю лінійно поляризований, а заломлений тільки частково поляризований (рис.4)

N

Рис. 4

Поляризація світла при його відбиванні під кутом Брюстера = n

де α_Б – кут Брюстера; n – показник заломлення середовища.

5. Поляризація при подвійному променезаломленні: При проходженні світла крізь кристали (за винятком тих, котрі належать до кубічної системи) світовий промінь роз'єднується на два промені, які поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах (рис.5). Це явище одержало назву подвійного променезаломлення. Для одного з цих двох променів не виконуються закони заломлення світла (він відхиляється від напрямку падаючого променя навіть при перпендикулярному падінні на передню грань кристала) і тому він називається незвичайним е. Другий промінь, який задовольняє законам заломлення, зветься звичайним о. Подвійне променезаломлення пояснюють різними швидкостями поширення звичайних (ν₀) та незвичайних (ν_е) променів або різними показниками заломлення n₀ і n_e.

е

• • • • • • • • • о

Рис. 5 Подвійне променезаломлення в кристалі

6. Оптична вісь кристала. Головна площина в кристалі:У кристалах існує напрямок, вздовж якого звичайний та незвичайний промені поширюються з однаковими швидкостями (ν_е = ν₀ ), просторово не розділяючись. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала. Найбільша різниця швидкостей звичайного та незвичайного променів спостерігається в напрямку, перпендикулярному оптичній осі кристала. Площина в кристалі, яка проходить крізь оптичну вісь та падаючий промінь називається головною. У звичайному промені вектор Е коливається перпендикулярно головній площині, а у незвичайному – в головній площині.

7. Призма Ніколя:Для просторового розведення променів використовують різні засоби. Найбільш поширеним є використання призми Ніколя. З кристала ісландського шпату вирізають певним чином дві призми, а потім склеюють їх канадським бальзамом, показник заломлення n_к.б. якого має значення, проміжне між значеннями показників заломлення ісландського шпату для звичайного n₀ та незвичайного n_е променів:

n_е< n_к.б < n₀ (n_е = 1,486; n_к.б = 1,556; n₀ = 1,658).

0

Рис. 6 Отримання поляризованого світла за допомогою призми Ніколя

8. Ізотропні середовища - середовища, в яких фізичні властивості світла в усіх напрямках однакові;

9. Анізотропні середовища- середовища, в яких ці властивості (наприклад, кут заломлення, швидкість світла) різні;

10. Поляризація світла при проходженні крізь поглинаючі анізотропні речовини. Явище дихроїзму. Поляроїди: У деяких кристалах, таких як турмалін, герапатит, один з променів при подвійному променезаломленні поглинається сильніше за інший. Так, наприклад, в турмаліні звичайний промінь поглинається практично повністю на шляху довжиною 1мм, а в герапатиті – на шляху 0,1 мм. Кристали герапатиту наносять на целулоїдну плівку, орієнтуючи їх певним чином. Такий поляризатор називається поляроїдом. Слід визначити, що і турмалін і герапатит характеризуються селективним поглинанням не лише у відношенні променів з різними площинами поляризації, але й з різними довжинами хвиль. Саме тому поляризоване світло, що виходить з кристала, виявляється забарвленим, причому в різних напрямках забарвлення різне. Це явище називається дихроїзмом. Таким чином, поляризатори пропускають промені з певною площиною поляризації, яку назвемо площиною поляризатора, і затримують промені з коливанням Е, які відбиваються перпендикулярно до площини поляризатора.

11. Обертання площини поляризації оптично активними речовинами. Закон Біо. Спектрополяриметр:При проходженні плоскополяризованого світла крізь деякі речовини спостерігається обертання площини поляризації. Такі речовини називаються оптично активними. До них відносять деякі кристали (наприклад, кварц), рідини (нікотин, розчин цукру, скипидар), розчини біомолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів). Було встановлено, що кут обертання площини поляризації φ оптично активною речовиною становить:

φ = φ₀l

де l – відстань, яку світло проходить в оптично активній речовині; φ₀ – стала обертання, або питоме обертання.

Для розчинів було встановлено такий закон:

φ = [φ₀]Cl

де С – концентрація оптично активної речовини; l – товщина шару розчину (довжина кювети).

Питоме обертання [φ₀] для даної оптичної системи залежить від температури, властивостей розчинника та довжини світлої хвилі. Залежність [φ₀] від довжини хвилі визначається законом Біо:

[φ₀] ~ 1/λ², або φ =

де а – постійна, яка залежить від природи речовини.

Застосовуючи різні світлофільтри, можна дослідити залежність [φ₀] від λ. Ця залежність називається дисперсією оптичного обертання (ДОО). Явище ДОО використовується для дослідження структури білків та нуклеїнових кислот, оскільки більшість біомолекул вміщують оптично активні центри.

Прилади, які призначені для дослідження ДОО, називаються спектрополяриметрами. Молекули оптично активних речовин належать до класу оптичних ізомерів. Такі молекули не мають дзеркальної симетрії. При поширенні променя крізь речовину напрямок коливань вектора Е буде поступово повертатися дедалі більше та більше. Величина повороту площини поляризації розчином оптично активної речовини виявиться тим більшою, чим більша кількість оптично активних молекул зустрінеться на шляху цього променя, тобто чим більша концентрація розчину і товщина його шару.

12. Поляриметрія. Оптична схема поляриметра:Явище повертання площини поляризації світла оптично активними речовинами лежить в основі поляриметрії або сахариметрії – досить чутливого методу визначення концентрації розчину оптично активних речовин. Прилади, які дозволяють вимірювати кут повороту площини поляризації світла оптично активною речовиною, називаються поляриметрами. Поляриметри, призначені для визначення концентрації цукру в розчині, отримали назву сахариметри.

Для розчинів активних речовин кут φ повороту площини поляризації пропорційний довжині l шляху світлового поляризованого променя в досліджуваному розчині, а також його концентрації С:

φ = φ₀ С l

Коефіцієнт пропорційності φ₀ називається питомим кутом обертання площини поляризації або питомим обертанням і характеризує оптичну активність речовини.

Питоме обертання чисельно дорівнює куту, на який повертається площина поляризації монохроматичного світла з довжиною хвилі λ = 589 нм при його проходженні через шар розчину оптично активної речовини товщиною l = 1 дм, що має концентрацію С = 1 г/100см³ при температурі 20⁰С. Наприклад, для розчину цукру φ₀ = 0,665 град/(дм г/100см³). Отже, вимірявши з допомогою поляриметра кут φ повороту площини поляризації світла досліджуваним розчином оптично активної речовини, за відомими l і φ₀ можна визначити концентрацію розчину за формулою:

С =

Фізична суть поляриметричного методу визначення концентрації розчину оптично активних речовин полягає в наступному: світло від джерела S поляризується за допомогою поляризатора Р (рис.7).

Р Р

Рис. 7

При відсутності кювети К з досліджуваним розчином поляризований промінь інтенсивністю І_о попадає на аналізатор А (на практиці дуже часто в ролі поляризатора і аналізатора використовуються призми Ніколя). Інтенсивність І світлової хвилі, яка пройшла через аналізатор за законом Малюса (І = І₀соs²α) залежить від кута α між головними площинами аналізатора і поляризатора.

Повертаючи аналізатор відносно поляризованого світлового променя як осі обертання, на певний кут α можна змінити інтенсивність світла, що вийшло із аналізатора, а, отже, і освітленість поля зору окуляра Ок. При α =𝜋 / 2 поляризований промінь не попадає в поле зору окуляра. В цьому випадку прийнято говорити, що аналізатор встановлений на темряву. При розташуванні між поляризатором і аналізатором кювети з розчином оптично активної речовини поле зору посвітлішає внаслідок повороту цією речовиною площини поляризації світла на деякий кут, що зумовлює часткове пропускання світла через аналізатор. Очевидно, що на такий же кут потрібно повернути аналізатор, щоб знову встановити його на темряву. На вимірюванні цього кута і базується поляриметричний метод визначення концентрації розчинів оптично активних речовин.

Поляризатор можна використовувати для аналізу поляризованого світла, в цьому випадку його називають аналізатором, або для отримання поляризованого світла і тоді його називають поляризатором.