Краткие теоретические сведения

Вращение плоскости поляризации наблюдается при прохождении плоско поляризованного света через кварцевую пластинку вдоль оптической оси, а также при прохождении света через растворы некоторых жидкостей, например, через водный раствор сахара. Вещества, вращающие плоскость поляризации называются оптически активными. К таким веществам относятся скипидар, виннокаменная кислота, камфара, кокаин, никотин и много других.

Угол вращения пропорционален концентрации раствора c и толщине слоя раствора l

.

Коэффициент пропорциональности зависит от рода вещества, длины волны и температуры. Он носит названиепостоянной вращения. Если выражать, как это принято, в градусах, l – в дециметрах и c – в г/см³ , то постоянную называютудельным вращением.

Вращение плоскости поляризации объясняется следующим образом.

Известно, что прямолинейное гармоническое колебательное движение можно разложить на два круговых, происходящих с той же частотой, но в обратных направлениях. Френель предположил, что в оптически активных веществах вращение в правую и левую сторону происходит с различной скоростью. В результате плоскость поляризации поворачивается.

Поясним сказанное на рисунке 6.2.

Пусть направление ОА представляет собой направление колебания в плоско поляризованной волне, падающей на раствор. Вектор амплитуды колебания А разложим на два вектора, один из которых вращается по часовой стрелке, а другой – против часовой. Пусть скорость вращения векторабудет меньше скорости первого вектора. Тогда за время, за которое вектор совершает полный оборот, вектор не успевает пройти круг и занимает новое положение , отмеченное на рисунке пунктиром. Таким образом, результирующий векторповернется относительно вектораА на угол . Разная скорость вращения связана с различием показателей преломленияи. Угол поворота плоскости поляризации определяется разностью коэффициентов преломления лучей, право- и левополяризованных по кругу.

.

Способность вращать плоскость поляризации раствором сахара объясняется строением молекул. Молекулы сахара и целого ряда других органических соединений содержат несколько асимметричных атомов углерода. Различные группировки вокруг тех или иных асимметричных атомов могут приводить к разновидностям молекул, имеющих один и тот же молекулярный состав, но различное строение. Такие молекулы называются изомерами. Так, для сахара существует 16 различных форм, образующих восемь пар (левых и правых) оптических изомеров.

Метод определения концентрации активных веществ по углу поворота плоскости поляризации является основным методом количественного анализа в сахарной промышленности. Измерения, выполненные по определенным международным инструкциям, являются общепризнанными официальными контрольными приёмами. Приборы, предназначенные для таких измерений, доведены до высокой степени совершенства. Они называются поляриметрами или сахариметрами.

В данной лабораторной работе применяется простейший приём определения концентрации сахара и не учитывается зависимость постоянной вращения и угла поворота от длины волны падающего света.

Порядок выполнения работы.

1. Убедитесь в скрещенности поляризатора и анализатора в отсутствие кювет. Для этого поставьте лимб анализатора в положения 0° и 90°. (Поляроидная плёнка, из которой изготовлены поляризатор и анализатор, оптически несовершенна: она плохо поляризует в красной области спектра. Поэтому при скрещенных поляроидах наблюдается не полное затемнение, а минимальная освещённость в красной области.) Оставьте поляроиды скрещенными.

2. Поставьте в установку одну из оптических кювет, помеченную индексом а). Концентрация раствора сахара в этой кювете составляет .Поверните анализатор в положение минимума освещенности. Определите угол поворота. Измерьте длину кюветы. Затем по формуле рассчитайте удельное вращение [].

3. Не вынимая первую кювету, поставьте вторую кювету с индексом а), проделайте те же измерения. Затем повторите опыт, поставив третью кювету. Концентрация сахара в каждой из кювет а) одинакова. Длины кювет также одинаковы. Рассчитайте удельное вращение для каждого случая и определите среднее значение.

4. Занесите результаты в таблицу и постройте график зависимости угла поворота от суммарной длины кювет.

5. Выньте кюветы а) и поставьте кювету б) с неизвестной концентрацией. Определите угол поворота и, используя рассчитанное значение [], рассчитайте концентрацию сахара в кювете б).

6. Проделайте те же измерения с кюветой с).

7. Сделайте выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Какими факторами обусловлена естественная оптическая активность?

2. Как можно объяснить вращение плоскости поляризации оптически активными веществами?

3. Какими способами воздействия на вещество можно обеспечить вращение плоскости поляризации оптически неактивными молекулами?