Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Сахариметрия

Некоторые кристаллы, растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алколоиды и др.), а также некоторые жидкости обнаруживают свойство вращать плоскость колебаний поляризован­ного света. Такие вещества называются оптически активными.

Явление заключается в том, «то при прохождении через такое ве­щество поляризованного света плоскость его колебаний постепенно вращается вокруг оси светового пучка на угол пропорциональный толщине пройденного светом слоя вещества. При этом у каждого оптически активного вещества имеется две разновидности: лево- и правовращающая (против и по часовой стрелке, если смотреть навстречу свету), состоящие из молекул, структура которых представляет зер­кальное отображение одна другой.

Для растворов оптически активных веществ угол φ вращения пло­скости колебаний монохраматического света зависит от природы веще­ства, температуры, концентрации С и длины столба раствора, через который проходит свет: , где α - коэффициент, называемый удельным вращением. Удельное вращение - это увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора, при температуре 20⁰ С и при длине волны света λ= 589 нм. Для глюкозы .

Угол вращения для данного вещества зависит от длины волны света. По закону Био, угол вращения приблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны λ света: где α постоянная, зависящая от природы веществ;

Метод исследования, использующий явление вращения плоскости колебаний поляризованного света, называется поляриметрией. Для того чтобы исключить влияние длины волны света на угол вращения, поляриметрия производится в монохроматическом свете, который получается с помощью соответствующего светофильтра; если в рассмотренных условиях использовать поляризованный белый свет, то анализатор при повороте будет пропускать поочередно лучи различной длины волны и пятно на экране будет соответственно менять цвет. Это явление называется дисперсией оптической активности и используется при изучении структуры вещества. Метод называется спектрополяриметрией. Поляриметрия используется для определения концентрации оптически активных веществ в растворе, и в медицине, в частности, для определения содержания сахара в моче больных. Применяемый для этого прибор называется сахариметром. Для упрощения расчетов в нем применяют трубку с раствором такой длины, чтобы угол поворота анализатора в градусах численно равнялся концентрации С раствора в граммах на 100 мл.

Рис. 62. Сахариметр.

При этом условии трубки . Например, для глюкозы .

Сахариметр, на рис 62, а представляет закрывающуюся крышкой трубку Т на штативе Ш, в которой расположена оптическая система прибора, схематически показанная на рис 62,б. Параллельный пучок монохроматического света, образованный от источника И с помощью желтого светофильтра Ф и линзы Л, проходит через поляризатор П, трубку К с исследуемым раствором и анализатор А, укрепленный на вращающемся диске Д с делениями. Затем свет фокусируется объективом Об в поле зрения окуляра Ок, которое и наблюдается глазом. Для точности отсчета диск Д снабжен шкалой с нониусом Н. При измерениях сначала, без исследуемого раствора, анализатор устанавливают на полное затемнение поля зрения. Затем помещают в прибор трубку с раствором и, вращая анализатор, снова добиваются полного затемнения поля зрения. Наименьший из двух углов, на ко­торый при этом необходимо повернуть анализатор, и является углом вращения для исследуемого вещества. По величине угла вычисляется концентрация сахара в растворе.

Определение угла вращения по затемнению поля зрения является недостаточно точным и требует предварительной адаптации глаза. В то же время глаз весьма чувствителен к разнице яркостей гранича­щих частей поля зрения.

Это используется в поляриметрах с полутеневым отсчетом, в которых анализатор устанавливается по условию уравнивания яркостей двух или трех частей, на которые разделяется поле зрение.

П оляризованный свет можно использо­вать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на явлении фотоупругости, которое зак­лючается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит темной.

Рис. 63. Модель кости.

Прикладывая нагруз­ку, вызывают анизотропию плексигласа, что становится заметным по характерной картине полос и пятен (рис. 63). По этой карти­не, а также по ее изменению при увеличении или уменьшении нагрузки можно делать выводы о механических напряжениях, возникающих в модели, а, следовательно, и в натуре.

Поляриметр круговой предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными однородными растворами и жидкостями.

Поляриметр применяется в медицине, пищевой, хими­ческой промышленности и других отраслях народного хо­зяйства (рис. 64, 65).

Рис 64. Поляриметр.

Рис. 65. Конструкция прибора в разрезе.

Рис. 66. Схема оптическая принципиальная.

Оптическая принципиальная схема включает в себя (рис. 66): лампу 1, светофильтр 2, конденсор 3, поля­ризатор 4, хроматическую фазовую пластинку 5, защитное стекло б, два покровных стекла 7, трубки 8, 9, 10 и 11, анализатор 12, объектив 13, окуляр 14 и две лупы 15.

РР—направление плоскости поляризации поляризатора;

АА—направление плоскости поляризации анализатора;

RR—направление оптической оси хроматической фазовой пластинки;

ВВ—направление плоскости поляризации излучения после хроматической фазовой пластинки