lab_raboty / Лаб. работы оптика / 7

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА САХАРИМЕТРОМ

Общие сведения

Ведение. Видимый свет, как известно, представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 410^-7 до 7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 плоско) поляризованным.

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 α, равный углу вращения плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через кристалл пропорционален толщине активного слоя . Для активного раствора угол поворота пропорционален длине пути луча в растворе и концентрации раствора с.

Для кристалла

‚

для раствора

‚

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

Удельное вращение (коэффициент ρ″) численно равен 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.

Целью лабораторной работы является определение величины удельного вращения ρ″ для раствора сахара (для чего используется эталонный раствор), а также определение концентрации сахара в некотором исследуемом растворе.

Описание установки

Концентрация раствора сахара определяется прибором, который называется сахариметром. Его основными частями являются поляризатор и анализатор, между которыми помещается трубка с раствором сахара

Так как точно установить поляризатор и анализатор “на темноту “ невозможно, то в сахариметре применяется полутеневой поляризатор. Получается он из поляризационной призмы Николя, разрезанной по двум плоскостям, симметричным плоскости главного сечения ОО′ (рис.1) и составляющими между собой небольшой угол 2β. Лежащий между этими плоскостями клин вырезается, и обе половинки склеиваются. Каждая половинка представляет собой самостоятельный поляризатор, причем плоскости колебаний электрического вектора Р1 и Р2 лучей света, прошедших через них, образуют угол 2β.

П ри прохождении через анализатор обоих лучей 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. 2а). 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 фильтр 2, выделяющий узкую спектральную область. За фильтром 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 введён 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 4. Кварцевый компенсирующий клин перемещается винтом 5. С подвижным кварцевым клином связана шкала, которую можно наблюдать с помощью окуляра 6.

В поле зрения окуляра 6 видна основная шкала (верхняя часть шкалы) и нониус (нижняя часть шкалы). Ноль основной шкалы (рис.5) 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 рисунке 5,а отсчет равен + 1,55 градуса, а на рисунке 5,б – 6,30 градуса. Шкала прибора проградуирована в международных сахарных градусах. Сто градусов этой шкалы соответствуют 34,62 дуговых градуса.

Порядок выполнения работы

1. Устанавливаем резкую границу между правой и левой половинками поля зрения передвижением окуляра зрительной трубки (4 на рис.4). Вращая ручку 6, перемещающую кварцевый клин, уравниваем освещенности полей зрения в области полутени при темном поле зрения окуляра, так как лишь при этом условии малейший поворот рукоятки вызывает резкую смену соотношения освещенности обеих половинок поля зрения окуляра. Снимаем нулевой отсчет α₀ по шкале, видимой в лупу. Измерения проводим 3 раза с красным светофильтром.

2. Помещаем в сахариметр трубку с раствором сахара известной концентрации и закрываем шторку. Уравниваем освещенности полей зрения при темном поле зрения окуляра. Для красного светофильтра 3 раза определяем α₁, соответствующий равенству освещенностей. Находим среднее α

3. Вычисляем угол поворота плоскости поляризации для красного света и затем определяем удельное вращение по формуле:

ρ″═α ∕ ℓС,

где α═α₁ – α₀.

Значения ℓ и С указаны на трубке.

4. Помещаем в сахариметр трубку с раствором сахара, концентрацию которого надо определить. Повторяем все измерения, описанные выше. Получаем α₂ .

5. Вычисляем α_x ═α₂ – α₀ для красного света. Подставив полученные значения в формулу

С_x = α_x ∕ ρ″ι_x,

определяем концентрацию сахара в растворе, а затем находим . Все измерения записываем в таблицу 1.

Таблица 1

Светофильтр

Определение удельного вращения

Определение концентрации сахарного раствора

№

О

Оср

1

1ср





2

2ср

Х

СХ

СХср

Красный

1. 2. 3.

Без светофильтра

1. 2. 3.

6. Вычисляем погрешность определения концентрации сахара в растворе.

4