Литература.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.II.

2. 2. Трофимова Т.И. "Курс физики", Москва, 1997.

3. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике.

Лабораторная работа № 14. Определение концентраций водных растворов сахара по вращению плоскости поляризации.

Вопросы теории. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора - вектора напряженности Е электрического поля. По теории Максвелла световые волны - поперечные: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атоме. Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного светового вектора Е.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и Н также) называется естественным. Свет, в котором колебания светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Если в результате внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е, то это частично поляризованный свет. Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным. Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Величина Р= I_max. - I_min./ I_max. + I_min (1)

называется степенью поляризации, где I_max. и I_min - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного

света, пропускаемого анализатором при его вращении вокруг направления распространения света. Для естественного света I_max. = I_min и Р = 0, для плоскополяризованного I_min = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы (например кристаллы), пропускающие колебания определенного направления. Широко используется в качестве поляризатора природный кристалл турмалин.

Если направить естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО', и вращать кристалл Т₁ вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света наблюдать не будем. Но если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т₂ и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла  между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

I=I₀ cos ² (2)

где I₀ и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Пластинка Т_1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором (рис.1).

T₁ T₂

Е 

I_ест. I_{0 } I

Рис. 1.

Некоторые вещества при прохождении плоскополяризованного света обладают способностью вращать плоскость поляризации на определенный угол. Такие вещества называются о п т и ч е с к и а к т и в н ы м и. К ним относятся ряд твердых тел - кварц, киноварь, сахар и др., многие жидкости, растворы ряда веществ - скипидар, водный раствор сахара, винная кислота и т.д.

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний проходящего через них света вправо, т.е. по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, называются правовращающими, влево - левовращающими. Например, сахар тростниковый поворачивает плоскость колебаний вправо, а сахар свекловичный влево.

Угол поворота плоскости колебаний зависит не только от вещества, но и от длины волны падающего света. Это явление называется вращательной дисперсией. Если через оптически активное вещество проходит пучок белого света, то он разлагается в спектр. Свойство вращения плоскости колебаний оптически активными веществами объясняется особенностями их структуры: наличием в них анизотропных молекул, не имеющих ни центра, ни плоскости симметрии, а в кристаллах - еще и расположением молекул. Известно, что если в молекуле имеется асимметричный атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или радикалами, то вещество является оптически активным.

Для однородных оптически активных веществ величина угла поворота плоскости колебаний прямо пропорциональна толщине слоя (экспериментально установленный закон). Для кристаллов

 =  ^. L (3)

где  - постоянная вращения (удельное вращение) для данного вещества;

L - толщина слоя прохождения светового луча.

Теория метода.

Для растворов оптически активных веществ величина угла поворота плоскости колебаний прямо пропорциональна толщине слоя L раствора и концентрации С растворенного вещества, т.е.

 =  ^. L^. С (4)

где L - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе (длина кюветы) в м;

С - концентрация в кг/ м³;

 - удельное вращение (численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем измеряемого оптически активного вещества единичной толщины и единичной концентрации для длины волны 589 нм и при комнатной температуре 20⁰ С). В общем случае удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

Приборы, служащие для определения угла поворота плоскости колебаний оптически активными средами, называются поляриметрами. Поляриметры, применяемые для определения концентрации сахара в растворах, называются сахариметрами. Метод определения концентраций оптически активных веществ по углу поворота плоскости колебаний широко применяется в лабораториях химической, нефтяной и пищевой промышленности, в медицине и др.

В данной работе используется круговой полутеневой поляриметр (модель СМ - 3).

Устройство и принцип работы прибора.

Поляриметр с наклонной осью, визуальный, настольного типа, закрытой конструкции состоит из головки анализатора с поляризатором, корпуса в сборе, основания в сборе и кюветы.

Оптическая принципиальная схема включает в себя (рис. 1) : лампу 4,

Рис.2. Схема оптическая принципиальная поляриметра СМ - 3.

светофильтр 5, конденсор 6, поляризатор 7, хроматическую фазовую пластинку 8, защитное стекло 9, два покровных стекла 10, трубки 11 и 12, анализатор 13, объектив 14, окуляр 15 и две лупы 16.

В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части поля зрения. Яркости полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения.

Свет от лампы, пройдя через конденсор и поляризатор, одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку, защитное стекло, кювету и анализатор, а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор.

Вид поля зрения поляриметра представлен на рис. 3.

Рис. 3. Поле зрения поляриметра.

Уравнивание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора.

Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором.

Следовательно, разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

При измерении на поляриметре угла вращения плоскости поляризации правовращающими оптически активными растворами отсчеты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 0 до 35⁰.

При измерении угла вращения плоскости поляризации левовращающими оптически активными растворами отсчеты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 360 до 325⁰ , величина угла вращения определяется: отсчет по шкале первого отсчетного устройства и лимбу минус 360⁰.

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Определение удельного вращения водных растворов сахара.

1. Включить поляриметр в сеть переменного тока 220 В. Измерения рекомендуется начинать через 10 минут после включения лампы.

2. Открыть крышку кюветного отделения поляриметра, вынуть трубку (кювету). Наполнить ее дистиллированной водой для определения нулевого отсчета. Для этого отвинтить крышку на одном конце трубки (помечено красной краской), снять покровное стеклышко и, держа ее вертикально, наполнить водой до образования выпуклого мениска. Притереть покровное стекло к трубке, сдвигая осторожно эту выпуклость в сторону и стараясь, чтобы в трубке не оказалось воздушных пузырьков. Завинтить крышку. Протереть тряпочкой наружные поверхности покровных стекол, удаляя следы жидкости. Если в трубке окажутся пузырьки воздуха то, наклоняя трубку, их необходимо вывести в выпуклую часть ее. Поместить кювету в камеру.

3. Вращением втулки наблюдательной трубки установить окуляр так, чтобы видеть резкое изображение линии раздела полей сравнения. После этого, вращением ручки поворачивают анализатор и добиваются равенства яркостей полей сравнения в чувствительном положении. При этом в поле зрения не должно наблюдаться окрашивания частей поля зрения и не должно быть заметно резкого выделения стороны хроматической фазовой пластинки.

4. Установку на равномерную яркость полей сравнения повторяют 3 раза со снятием отсчетов по шкале лимба и отсчетного устройства (нониуса) и вычислением среднего арифметического значения. Полученное значение является нулевым отсчетом (₀).

5. Вылить воду из трубки, заполнить ее раствором сахара известной концентрации и вновь поместить в кюветное отделение. Раствор должен быть прозрачным, не иметь взвешенных частиц. Проверить фокусировку окуляра.

6. Нарушенное введением оптически активного вещества равенство освещенности поля зрения восстановить поворотом анализатора. Произвести отсчет нового положения анализатора '. Определяют на сколько градусов повернута шкала лимба по отношению к шкале первого отсчетного устройства, затем по штрихам первого и второго отсчетных устройств, совпадающими со штрихами шкалы лимба, отсчитывают доли градуса. Цена деления шкалы отсчетного устройства 0,02⁰. Оцифровка отсчетного устройства "10" соответствует 0,10⁰.

К числу градусов, взятых по шкале лимба первого отсчетного устройства, прибавляют средний арифметический отсчет по шкале первого и второго отсчетного устройства. Эту операцию повторяют 3 раза и берут среднее арифметическое значение ('). Из полученного вычитают нулевой отсчет. Таким образом находят угол поворота плоскости колебаний

 = ' - ₀.

8. Из формулы (5) найти удельное вращение сахара для растворов известной концентрации и найти  _ср..

 =  / L^. С (5)

При расчете длину кюветы выражать в метрах, а концентрацию в кг/м³.

Задание 2. Определение содержания сахара в растворах неизвестной концентрации.

1. Произвести измерения угла  для растворов неизвестной концентрации не менее 3 раз аналогично заданию 1 и рассчитать содержание сахара по формуле

С =  / L^.  (6)

2. Данные занести в таблицу.

3. Для растворов известной концентрации построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации  от концентрации раствора С , откладывая по оси абсцисс - С, а по оси ординат - . Имея измеренные значения  для растворов неизвестной концентрации, по графику найти соответствующие им концентрации. Сравнить полученные значения с рассчитанными в пункте 1.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение естественного и поляризованного света.

2. Способы получения плоскополяризованного света.

3. Назначение поляризатора и анализатора.

4. Закон Малюса.

5. Оптически активные среды и вращение плоскости поляризации.

6. Определение удельного вращения.