Uniwersytet Medyczny

Wydział wojskowo – lekarski

Zakład fizjologii człowieka i biofizyki

Laboratorium z biofizyki

Ćwiczenie O4 Polarymetria – wyznaczanie stężenia roztworu

cukru

Grupa II

Zespół Z7

Michał Głowacki

1 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Wstęp teoretyczny:

1. Fale Elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne, zaburzenie pola elektromagnetycznego (e-m).
Wynikającą stąd możliwość istnienia fal e-m zauważył H.R. Hertz. Fale e-m są falami
poprzecznymi, wektory E i H są wzajemnie prostopadłe i oba są prostopadłe do kierunku
rozchodzenia się fali. Fale e-m rozchodzą się w próżni z prędkością światła (c).
W ujęciu kwantowym, zgodnie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego, fale
elektromagnetyczne o częstotliwości ν są strumieniami fotonów o energii E = hν, gdzie
h – stała Plancka.

Rodzaj
fali

Długość fali [m] Częstotliwość

[Hz]

fale radiowe

> 10

-4

< 3·10

12

podczerwień

5·10

-4

÷ 8·10

-7

6·10

11

÷ 3.7·10

14

Światło widzialne

8·10

-7

÷ 4·10

-7

3.7·10

14

÷ 7.5·10

14

ultrafiolet

4·10

-7

÷ 10

-9

7.5·10

14

÷ 3·10

17

promieniowanie X

10

-9

÷ 6·10

-12

1.5·10

17

÷ 5·10

19

promieniowanie gamma < 10

-10

> 10

18

2. Światło spolaryzowane i niespolaryzowane:
W wiązce światła naturalnego ( słonecznego, z konwencjonalnych źródeł ) zmiany
natężenia E fal e-m zachodzą w różnych płaszczyznach (izotropowo) względem kierunku
rozchodzenia się światła. W wyniku oddziaływania światła z materią możemy uzyskać
wyróżnioną powierzchnię zmian E- uzyskać światło spolaryzowane.

3. Metody polaryzacji światła:

•

Odbicie od powierzchni dielektryku

•

Podwójne załamanie

2 Przygotowano http://wojsk-lek.org

4. Polaryzacja światła przez odbicie:
Światło odbite od dielektryku pod dowolnym kątem jest spolaryzowane częściowo. Jeśli
kąt padania

α

jest taki, że promień odbity i załamany tworzą kąt 90

°

, to spełniony jest

warunek:

tg

α =

n

Światło odbite będzie spolaryzowane całkowicie liniowo. Kąt padania

α

nosi nazwę kąta

całkowitej polaryzacji lub kąta Brewstera. Promień załamany jest spolaryzowany
częściowo.
5. Pryzmat Nicola prosty przyrząd optyczny, pryzmat polaryzujący światło, wykonany

z odpowiednio doszlifowanego, rozciętego na dwa fragmenty, kryształu szpatu
islandzkiego, sklejonego następnie balsamem kanadyjskim. Załamane w pierwszym
krysztale światło dzieli się na dwa promienie: zwyczajny i nadzwyczajny
(dwójłomność). Promień nadzwyczajny przenika do drugiego kryształu, a promień
zwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Nazwa pryzmatu upamiętnia
nazwisko wynalazcy, Williama Nicola (1768-1851), który w 1828 skonstruował
przyrząd.

3 Przygotowano http://wojsk-lek.org

6. Prawo Malusa: Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu

amplitudy, wobec tego natężenie światła przechodzącego przez polaryzator wyniesie:

I=

I

I

0

cos

α

gdzie Io jest natężeniem światła spolaryzowanego liniowo padającego na polaryzator.
Jest to tzw. prawo Malusa. Polaryzator może być użyty do określenia czy światło jest
spolaryzowane liniowo oraz jaki jest kierunek polaryzacji liniowej. Należy w tym celu
obracać polaryzatorem zmieniając kierunek osi polaryzatora (polaryzator jest
nazywany wówczas analizatorem) i obserwować natężenie światła przechodzącego:
prawo Malusa jest spełnione tylko dla światła spolaryzowanego liniowo zaś dla
światła niespolaryzowanego lub spolaryzowanego kołowo natężenie światła powinno
być niezależne od kąta

α

. Dla światła spolaryzowanego eliptycznie oraz

spolaryzowanego częściowo wartość natężenia światła będzie zależeć od kąta

α

lecz

nie osiągnie wartości zerowej.

7. kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla roztworów

4 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Cześć praktyczna:
Schemat budowy polarymetru:

Polarymetry: A) Lippicha (1 - soczewka kolimatora, 2 - polaryzator, 3 - półcieniowy
pryzmat Nicola, 4 - rurka z badanym roztworem, 5 - analizator, 6 - lunetka), B) Soleia (1',
3', 8' - pryzmaty polaryzacyjne, 2', 4' - płytki ochronne, 5' - rurka z badanym roztworem,
6' - płytka z prawoskrętnego kwarcu, 7' - układ klinów z kwarcu lewoskrętnego).

1. Pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla wody destylowanej (

α

ośr

).

Określenie błędu pomiaru

2. Pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla roztworu cukru o znanym

stężeniu ( c=10%) (

α

zi

). Obliczenie wartości średniej pomiaru (

α

zśr

).

3. Rzeczywisty kąt skręcenia (dla roztworu o stężeniu 10% ) obliczony ze wzoru

wynosi :

α

z

=

α

zśr

± α

ośr

4. Pomiar kata skręcania płaszczyzny polaryzacji dla roztworu cukru o nieznanym

stężeniu (x) (

α

xi

). Obliczenie średniej pomiaru (

α

xśr

)

5. Rzeczywisty kąt skręcenia (dla roztworu o stężeniu x ) obliczony ze wzoru wynosi

:

α

z

=

α

xśr

± α

ośr

6. Stężenie x wynosi :
7. Błąd względny wynosi:

5 Przygotowano http://wojsk-lek.org