Методы поляриметрии

3. Методические указания к выполнению лабораторной работы

“Поляриметрическое определение концентрации вещества в

растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”

Цель работы: Изучение принципа работы поляриметра. Определение концентрации оптически активного вещества в растворе. Экспериментальная проверка закона Био на разных длинах волн.

Краткая теория

Рисунок 3.1 - “Мгновенный портрет” электромагнитной волны

Световые волны представляют собой поперечные электромагнитные волны. В такой волне вектор напряженности электрического поля E перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля H и направлению распространения волны r (рисунок 3.1).

Плоскость, содержащую луч и электрический вектор, называют плоскостью колебаний, а плоскость, содержащую луч и магнитный вектор - плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного света с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.



Рисунок 3.2 - Прохождение плоскополяризованного света через

поляризатор П

Если пропустить через поляризатор П плоскополяризованный свет так, чтобы плоскость колебаний вектора Е составляла с плоскостью поляризатора АА угол j (рисунок 3.2), то через него пройдет только параллельная составляющую Е вектора Е. Амплитуда прошедших через поляризатор колебаний будет равна

Е=Еcosj

На практике измеряют обычно интенсивность, а не амплитуду. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, тогда для прошедшей через поляризатор интенсивности I можно записать

I=I₀cos²

Соотношение носит название закона Малюса.

При прохождении плоскополяризованного света через чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) некоторые растворы (водные растворы сахара, винной кислоты и др.) и кристаллические вещества (кварц, рутил и др.) изменяется пространственная ориентация плоскости колебания вектора E, то есть плоскость поляризации поворачивается. Такие вещества называются оптически активными.

Явление вращения плоскости поляризации схематически показано на рисунке 3.3. Как видно из рисунка, ориентация плоскости колебаний вектора E после прохождения оптически активного вещества изменяется на угол Dj. В этом случае говорят, что произошел поворот плоскости поляризации на угол Dj.

Рисунок 3.3 - Явление вращения плоскости поляризации.

В работе используется экспериментальная установка (модифицированный поляриметр СМ-3), блок-схема которой показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Блок-схема экспериментальной установки

1 - источник излучения (светодиод), 2 - поляризатор,

3 - гнездо для кюветы с раствором оптически активного вещества,

4 - анализатор, 5 - шкала поворота поляризатора,

6 - телескопическая система

Порядок выполнения работы

Приготовление растворов исследуемых веществ и подготовка к измерениям

Используя лабораторные весы и мерные колбы (мензурки) приготовить требуемые серии растворов исследуемого оптического активного вещества и рассчитать их концентрацию.

С помощью фильтрованной бумаги, смоченной растворителем, тщательно протереть внутреннюю часть кюветы поляриметра, после чего заполнить ее исследуемым раствором. Заполнять кювету раствором до тех пор, пока на верхнем ее конце не появится выпуклый мениск (он сдвигается в сторону при контакте с покровным стеклом). Положить на покровное стекло резиновую прокладку и все завернуть прижимной гайкой. После заполнения кюветы исследуемой жидкостью покровные стекла с наружной стороны кюветы тщательно протереть. В кювете не должно оставаться воздушных пузырей. Если же они имеются, их заводят в утолщенную часть кюветы, где они не будут мешать наблюдению.

Задание 1. Определение концентрации сахара по углу поворота плоскости поляризации

Раствор сахара является оптически активным веществом. Как известно, величина угла поворота Dj плоскости поляризации линейно поляризованного света прямо пропорциональна концентрации с оптически активного вещества и длине пути L, пройденного светом в этом веществе. Таким образом, график зависимости Dj? от с представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (при постоянной L). Используя график этой зависимости (рисунок 3.5), можно определить неизвестную концентрацию оптически активного вещества. Для этого достаточно измерить величину Dj при той же длине L и по графику найти значение концентрации С_х, соответствующей измеренной величине Dj.

Рисунок 3.5 - График зависимости Dj от с

Порядок выполнения

Водный раствор сахара залить в четыре кюветы одинаковой длины. Концентрация сахара в трех кюветах известна, а концентрацию в четвертой кювете надо определить.

1. До размещения кюветы в гнезде поляриметра установите анализатор в положение j=j₀. Это означает, что плоскость поляризации излучения совпадает с плоскостью пропускания анализатора. Определение нулевого отсчета производят с кюветой, наполненной дистиллированной растворителем, в котором в последующем будет растворяться оптически активное вещество.

2. Вставьте в гнездо поляриметра кювету с известной концентрацией раствора. Плавно поворачивая кювету вокруг ее оси, добейтесь максимального отклонения стрелки прибора. Наличие кюветы с раствором на пути излучения источника света приводит к повороту плоскости поляризации светового луча, поэтому теперь, при ориентации анализатора под углом j=j₀, интенсивность прошедшего через анализатор светового пучка будет меньше максимальной. Медленно поворачивая анализатор, найдите такую его ориентацию, при которой интенсивность света будет максимальной. Зафиксируйте значение концентрации С и соответствующие значения j=j₁. Рассчитайте величину угла поворота Dj плоскости поляризации света в результате его прохождения через раствор:

Dj=j₀j₁

3. Повторите это действие, используя растворы с известной (не менее четырех) и неизвестной концентрацией сахара.

4. Постройте графики зависимости Dj=f(C) для эталонных растворов, и по этому графику определите концентрацию С_х а погрешность ее определения.

Задание 2. Экспериментальная проверка закона Био на различных длинах волн. Исследование зависимости удельного вращения от длины волны света

Закон Био определяет угол поворота j плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой аморфного вещества с естественной оптической активностью (твёрдое тело, раствор или пары):

j=alc

где a - постоянная вращения, l - толщина слоя вещества, с - его концентрация.

В зависимости от направления поворота плоскости поляризации различают право- и левовращающие вещества. Био закон выражает пропорциональность угла поворота j числу молекул на пути светового луча. Значение a определяется природой вещества, слабо зависит от температуры, существенно - от длины волны света l (в первом приближении a1/l ², и изменяется более сложным образом вблизи полос поглощения вещества) и может значительно изменяться при изменении растворителя вследствие влияния последнего на внутримолекулярные процессы в растворённом веществе.

В области прозрачности и малого поглощения зависимость удельного вращения от длины волны может быть описана более точным выражением, получившим название формулы Друде:

,

где B_i - весовые коэффициенты вкладов в оптическую активность a_l на длине волны l, связанную с наличием собственных полос поглощения с максимумами при длинах волн l_i.

Э. Коттон, изучавший оптическую активность для излучений с длинами волн, близкими к длине волны максимума полосы поглощения, обнаружил аномальную оптическую активность - увеличение a с ростом l, а также различие показателей поглощения при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей - так называемый круговой дихроизм, или эффект Коттона. Вследствие кругового дихроизма вблизи полос собственного поглощения не только поворачивается плоскость поляризации света, исходно поляризованного линейно, но и одновременно этот свет превращается в эллиптически поляризованный.

Порядок выполнения

1. Выполнить действия 13 Задания 1, используя по пять растворов известной концентрации заданного оптически активного вещества; измерения удельного вращения a? провести для белого света, и в синем, зеленом, желтом и красном диапазонах спектра. Определить направление вращения плоскости поляризации и рассчитать средние значения удельного вращения при различных длинах волн .

2. Построить графики зависимостей Dj_?=f(C) и =f(l). Проверить гипотезу о выполнимости закона Био для каждой из использованных спектральных областей. Определить аналитическое выражение зависимости =f(l), рассчитать коэффициент корреляции экспериментальной и полученной аналитической зависимости =f(l) и погрешность ее параметров.

3. Проанализировать полученные результаты.

Выводы

Тема моей курсовой работы поляриметрический метод определения вещества в растворе. Суть метода сводится к тому, что он широко применяется для исследования оптически активных веществ на приборе поляриметр. Также нужно сказать о том, что оптическая активность чрезвычайно чувствительна к любым изменениям строения вещества и к межмолекулярному взаимодействию, поэтому она может дать ценную информацию о природе заместителей в молекулах (как органических, так и комплексных неорганических соединений), что и является особенностью этого метода.

Методами поляриметрии анализируются атмосфера и океаны, различные объекты окружающей среды, промышленные изделия и продукты переработки предприятий. Эффективно эти методы используются в электронной промышленности, медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических проблем.

Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество монохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

Впервые понятие о поляризации света было введено в оптику Ньютоном в 1704 году, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее. Сам термин предложен в 1808 году Малюсом. С его именем и с именами Био, Френеля, Араго, Брюстера связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит поляризация света. Затем в 1865-73 гг. теория нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Максвелла.

В настоящее время существует множество приборов для поляризационно-оптических исследований, которые отличает чрезвычайное разнообразие как сфер применения, так и конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъёмке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел и др. Описанию многих из этих приборов посвящены отдельные работы. Мы дадим лишь краткий обзор некоторых основных классов подобных приборов.

Элементом большинства поляризационных приборов является схема, состоящая из последовательно расположенных на одной оси линейного поляризатора и анализатора. Если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, схема не пропускает света (установка на гашение). Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему света по Малюса закону (пропорционально квадрату косинуса угла). Особое удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых потоков обусловило её преимущественное применение в фотометрических поляризационных приборов - фотометрах и спектрофотометрах (как с визуальной, так и с фотоэлектрической регистрацией). Поляризационные приборы представляют собой основные элементы оборудования для кристаллооптических и иных исследований сред, обладающих оптической анизотропией ? естественной или наведённой. При таких исследованиях широко применяются поляризационные микроскопы, позволяющие на основе визуальных наблюдений делать выводы о характере и величине оптической анизотропии вещества.

Существуют разнообразные поляризационные приборы, с помощью которых не только анализируют состояние поляризации света, испускаемого внешними источниками, но и получают требуемую поляризацию и преобразуют одни её виды в другие.

Одним из простейших круговых поляриметров является поляриметр СМ-3, который предназначен для определения угла поворота плоскости поляризации жидких оптически активных веществах.

Существует также такой прибор как полярископ-поляриметр ПКС-56, он также достаточно просто устроен как и СМ-3.

Наиболее сложно устроен малогабаритный поляриметр ИГ-86, предназначенный для визуального исследования с помощью оптически чувствительных покрытий.

Такой прибор например как фотоэлектрический модуляционный поляриметр позволяет ещё и измерять меняющуюся во времени разность фаз.

Одним из новых приборов поляриметрии является АДП410 - цифровой. Это полностью автоматический поляриметр, специально разработанный для решения широкого круга аналитических задач, связанных с изменением оптического вращения.

Как работать на приборе:

1. До размещения кюветы в гнезде поляриметра установите анализатор в положение j=j₀. Это означает, что плоскость поляризации излучения совпадает с плоскостью пропускания анализатора. Определение нулевого отсчета производят с кюветой, наполненной дистиллированной растворителем, в котором в последующем будет растворяться оптически активное вещество.

2. Вставьте в гнездо поляриметра кювету с известной концентрацией раствора. Плавно поворачивая кювету вокруг ее оси, добейтесь максимального отклонения стрелки прибора. Наличие кюветы с раствором на пути излучения источника света приводит к повороту плоскости поляризации светового луча, поэтому теперь, при ориентации анализатора под углом j=j₀, интенсивность прошедшего через анализатор светового пучка будет меньше максимальной. Медленно поворачивая анализатор, найдите такую его ориентацию, при которой интенсивность света будет максимальной. Зафиксируйте значение концентрации С и соответствующие значения j=j₁. Рассчитайте величину угла поворота Dj плоскости поляризации света в результате его прохождения через раствор:

Dj=j₀j₁

3. Повторите это действие, используя растворы с известной (не менее четырех) и неизвестной концентрацией сахара.

4. Постройте графики зависимости Dj=f(C) для эталонных растворов, и по этому графику определите концентрацию С_х а погрешность ее определения

Строение прибора:

Осветитель 1 (лампа накаливания или натриевая лампа ДНаО140) устанавливается в фокальной плоскости оптической системы 8. В конструкции узла осветителя предусмотрены подвижки для установки нити накала лампы на оптической оси. При работе с лампой накаливания перед оптической системой 3 вводится желтый светофильтр 2. Параллельный монохроматический пучок лучей, выходящий из системы 3, проходит через поляризатор 4 (поляроид, заклеенный между двумя стеклами), кварцевую пластинку 5, создающую совместно с поляроидом полутеневую картину с тройным полем зрения, и кварцевую кювету 6 с исследуемым раствором. Обычно длина кюветы выбирается такой, чтобы концентрации 10³ кг/см³ соответствовал угол поворота плоскости поляризации j=1. После кюветы расположен анализатор 7, аналогичный поляризатору 4, и телескопическая система, состоящая из объектива 10 и окуляра 11, через который ведется наблюдение при уравнивании освещенностей частей поля зрения. Отсчет осуществляется по градусной шкале 8 неподвижного лимба (с оцифровкой от 0 до 360) с помощью двух диаметрально противоположных нониусов 9 (шкалы нониусов имеют по 20 делений; цена одного деления 0,05). Из показаний двух нониусов берут среднее значение (для учета эксцентриситета лимба). Отсчет снимается при наблюдении лимба и нониуса через лупы 12.

Вопросы для контроля

1 Что такое поляризация света, ее виды и характеристики. Какие источники света испускают поляризованное излучение и почему излучение нагретых тел не является поляризованным?

2 Какие способы получения поляризованного света известны? Как можно отличить естественный свет с круговой поляризацией?

3 Объясните принцип поляриметрии. В чем заключается смысл законов Малюса и Био?

4 Каков механизм поворота поляризации в оптически активных средах? Объясните зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны.

5 Дайте определение лучевой и нормальной скоростей для анизотропного кристалла.

Заключение

Поляриметрия широко применяется для исследования оптически активных веществ. Методами поляриметрии анализируются атмосфера и океаны, различные объекты окружающей среды, промышленные изделия и продукты переработки предприятий. Эффективно эти методы используется в электронной промышленности, в медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических проблем. Методы поляриметрии рассматриваются в ряде предметов специальности “Физика”, например, в курсах “Оптические измерения” и “Строение и методы исследования вещества”.

В то же время имеется ряд особенностей исследования оптической активности химических соединений, что связано с неаддитивностью явления, не позволяющей вести расчёты на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество монохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

В данной курсовой работе рассмотрены основные характеристики поляризованного излучения, методы поляриметрии и типовое оборудование. Разработаны методические указания к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”.

С целью расширения функциональных возможностей промышленного поляриметра СМ-3 проведена его модификация, заключавшаяся в замене исходной системы освещения блоком, позволяющим проводить изменения как в белом свете, так и в синем, зеленом, желтом и красном диапазонах спектра.

Список использованных источников

Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965. - 322 с.

Джерасси К. Дисперсия оптического вращения. - М.: Мир, 1962. - 366 с.

Волькенштейн М.В. Молекула и жизнь. - М.: Наука, 1965. - 289 с.

Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. - М.: Наука, 1961. - 340 с.

Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов. - М.: Наука, 1969. - 364 с.

Размещено на Allbest.ru