POLARYMETRIA
Polarymetria
Polarymetria jest metodÄ… analitycznÄ… zajmujÄ…cÄ… siÄ™ badaniem
właściwości substancji na podstawie pomiarów kąta skręcenia
płaszczyzny drgańświatła spolaryzowanego liniowo.
Jest stosowana do oznaczania stężenia substancji optycznie
czynnych (cukry, białka, alkaloidy, antybiotyki) oraz ich
identyfikacji.
1
WST
P
Wiązka światła jest zaburzeniem elektromagnetycznym; drgania wektora E i M
są do siebie prostopadłe; drgania są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się -
światło jest falą poprzeczną
Z
E
E0
0
H0
 
Y
x Ä„" E ; x Ä„" H ; E Ä„" H
Światło naturalne  drgania zachodzą we wszystkich
kierunkach do kierunku rozchodzenia siÄ™
Światło spolaryzowane  drgania uporządkowane
Rodzaje polaryzacji: - liniowa,- kołowa,- eliptyczna
Polaryzacja światła - liniowa, kołowa, eliptyczna
Światło spolaryzowane liniowo
Z
E
Ez
O
X
Ex
- wyp g y p y y ,
ypadkowa drgań E dwóch składowych spolaryzowanych liniowo,
prostopadłych do siebie, równych w fazie (różnica faz = 0o lub 360o);
wektor wypadkowy opisuje prostÄ…
Drganie wypadkowe, spolaryzowane liniowo, może być rozłożone na
inne dwie składowe spolaryzowane liniowo o różnych intensywnościach.
2
Światło spolaryzowane liniowo
- wypadkowa (wynik nakładania)
dwóch drgań składowych
X
spolaryzowanych liniowo,
prostopadłych do siebie,
E y
równych w fazie (różnica faz =
równych w fazie (różnica faz =
0o , 1800 lub 360o); wektor
wypadkowy opisuje prostÄ…
X
E y
X
E y
Światło spolaryzowane kołowo
- wynik nakładania dwóch drgań
składowych spolaryzowanych
X
liniowo, prostopadłych do siebie,
jedna składowa przesunięta w
Ey
y
fazie względem drugiej o 90o lub
fazie względem drugiej o 90o lub
270o, równe amplitudy , koniec
wektora wypadkowego opisuje
koło
X
E
y
X X
Ey Ey
3
Światło spolaryzowane kołowo
Wypadkowy wektor E w ciÄ…gu 1 okresu
ruchem jednostajnym zatacza koło:
polaryzacja kołowa
prawoskrętna,
prawoskrętna,
polaryzacja kołowa
lewoskrętna
www.optics.arizona.edu/jcwyant/JoseDiaz/Polar...
Dwa promienie spolaryzowane kołowo w prawo i w lewo, o równych
amplitudach i fazach dają światło spolaryzowane liniowo.
Światło spolaryzowane eliptycznie
Jeżeli różnica faz między składowymi nie wynosi: 0, 90o, 180o, 270o, 360o,
światło jest spolaryzowane eliptycznie (amplitudy różne).
Y
µ Ä…
a
b
Z
Parametry elipsy:
- orientacja (azymut) osi głównej elipsy (ą =20o),
- eliptyczność - stosunek dÅ‚ugoÅ›ci półosi (µ =arctga/b = 0.4)
li t ść t k dł ś i ół i ( t /b 0 4)
Ogólny stan polaryzacji można określić poprzez opisanie eliptyczności:
elipsa silnie spÅ‚aszczona - eliptyczność maÅ‚a; jeżeli eliptyczność µ =0,
- polaryzacja liniowa;
elipsa bliska koÅ‚u; - jeżeli eliptyczność µ = 1, - polaryzacja koÅ‚owa
4
Anizotropia
W ośrodkach izotropowych (gazy, jednorodne ciecze, szkła, niekrystaliczne polimery)
promieniowanie oddziałuje niezależnie od kierunku rozchodzenia się i kierunku drgań.
W ośrodkach anizotropowych (większość kryształów, gazy i ciecze w silnym polu
elektrycznym i in.) prędkość światła - współczynnik załamania - zależą od kierunku
rozchodzenia się i kierunku drgańświatła w stosunku do p y y g j kryształu.
ę g płaszczyzny głównej y
Promień ulega rozszczepieniu na dwa
ośrodek
promienie o drganiach wzajemnie
izotropowy
prostopadłych, oba są całkowicie
spolaryzowane, mają różne prędkości
różne n
Z
czoła fal
N
oÅ› opt.
Z- promień zwyczajny
ośrodek
anizotropowy
N- promień nadzwyczajny
Z
N
Rozszczepienie promienia w ośrodku anizotropowym - dwójłomność ;
miarą dwójłomności (nn  nz):
Dwójłomność = (nn  n
z) = D/b
b- długość geometrycznej drogi (grubość warstwy),
D - opóz
nienie w fazie (różnica dróg promienia n i z w nm).
Szpat: nz = 1.66, nn = 1.49, " = - 0.17
Kwarc: " = + 0.01
5
Ćwierćfalówka (płytka /4), półfalówka (płytka /2), płytka 
( płytki opóz
niające)  płytki dwójłomne o grubości dobranej do 
padajÄ…cego promieniowania
ćwierćfalówka
Działanie oparte na zjawisku dwójłomności.
W płytce krystalicznej zachodzi

4
4
ro s c epienie prom. na Z i N biegnÄ…ce z
rozszczepienie prom na Z i N biegnÄ…ce
różnymi prędkościami  wytwarza się różnica
faz : /4 (90o)  inny stan polaryzacji (kołowa)
Różnica faz = 90o- tylko dla określonej 
Zastosowanie ma również proces odwrotny
Otrzymywanie światła spolaryzowanego liniowo
Polaryzatory - elementy przepuszczające lub odbijające wybiórczo
tylko te wiązki, których drgania odbywają się równolegle do
wyróżnionego charakterystycznego dla danego polaryzatora
wyróżnionego, charakterystycznego dla danego polaryzatora,
kierunku.
W polaryzatorach wykorzystywane jest zjawiska oparte na:
asymetrii odbicia światła,
asymetrii załamania światła,
asymetrii załamania światła
asymetrii rozpraszania światła,
asymetrii pochłaniania (absorpcji) światła
6
Polaryzacja przez odbicie od dielektryka
Całkowita polaryzacja wiązki padającej na
płytkę o określonym współcz. załamania -
- tylko gdy kąt między promieniem
załamanym i odbitym = 90o
Ä…Å‚
Ä…Å‚
Ä…Å‚
Ä…Å‚
Ä… + =
² 90o
B B
wtedy:
=
sin ² cos Ä…
B B
90o
ponieważ :
sin Ä…
n =
²Å‚
sin ²
to :
to :
sin Ä…
B
= Ä…
n = tg
B
cos Ä…
B
Kąt Brewstera - kąt całkowitej polaryzacji (dla szkieł około56o).
Możliwa jest całkowita polaryzacja przez załamanie światła na stosie
płytek szklanych.
Polaryzacja przez podwójne załamanie
Zachodzi na pryzmatach polaryzujÄ…cych np.: Nicola, Glana-Thompsona.
Działanie oparte na zjawisku asymetrii załamania
68o
90o
N
N
N
Z
Z
Kryształ kwarcu (SiO2)
Pryzmat Nicola
lub kalcytu (szpat islandzki CaCO3)
Wpryzmacie Nicola przekrój główny został sklejony balsamem kanadyjskim który:
W pryzmacie Nicola - przekrój główny został sklejony balsamem kanadyjskim, który:
dla promienia zwyczajnego jest ośrodkiem optycznie rzadszym; przy kącie
padania większym niż kąt całkowitego wewnętrznego odbicia następuje odbicie i
pochłonięcie promienia przez oprawę pryzmatu,
dla promienia nadzwyczajnego jest ośrodkiem optycznie gęstszym: - promień
załamuje się podwójnie i przechodzi przez pryzmat.
7
Polaryzacja przez selektywnÄ… absorpcjÄ™ (dichroizm)
Wywołana przechodzeniem światła naturalnego przez polaroidy.
Filtry polaroidowe  zawierają kryształy dichroiczne ułożone w sposób
uporządkowany w błonach z mas plastycznych
Polaryzacja przez rozproszenie
Z
X
s
Y
Zachodzi wyłącznie na drodze rozproszenia rayleighowskiego.
8
Polaryzacja wymuszona polem elektrycznym lub
magnetycznym
Krótkotrwały efekt szybkozmiennego pola:
elektrycznego
magnetycznego
Otrzymywanie światła spolaryzowanego kołowo i
eliptycznie
Światło spolaryzowane kołowo lub eliptycznie można uzyskać
wyłącznie ze światła spolaryzowanego liniowo na drodze
przepuszczania przez płytki anizotropowe.
ćwierćfalówka

4
Jeżeli grubość płytki anizotropowej opóz
nia promień w fazie o:
90o lub 270o - polaryzacja kołowa,
180o lub 360o - polaryzacja liniowa,
inne - polaryzacja eliptyczna.
Ważne zastosowanie ma proces odwrotny  identyfikacja nieznanego stanu polaryzacji
9
Skręcalność optyczna
Substancje optycznie czynne, asymetryczne (nie posiadajÄ…ce
płaszczyzny lub centrum symetrii) skręcają płaszczyznę światła
spolaryzowanego liniowo
Asymetria cząsteczek może wynikać z:
wewnętrznej struktury cząsteczek, (np. asymetryczny at. C
w cukrach)  asymetria strukturalna
asymetrycznej budowy krystalicznej (np. kwarc),
szczególnej asymetrycznej konformacji (np. helikalnej jak
h k h li l b bi Å‚k )
heksahelicen lub białka)
asymetrii indukowanej,
naprężeń w materiałach,
dwójłomności przepływowej - równoległego zorientowania
wydłużonych cząsteczek w cieczach.
Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo
ośrodkach optycznie czynnych
Y Y
É
'
É É
'
Ä…
E
É
EL E
E L
EP
EP X
X
' = '
É É É É
=
Ośrodek izotropowy Schemat rozkładu wektora E
światła spolaryzowanego liniowo
światła spolaryzowanego liniowo
S h t kł d kt
Schemat rozkładu wektora
po przejściu przez substancję
E światła spolaryzowanego
optycznie czynnÄ…
liniowo na dwa wektory :
Ep-rotujÄ…cy w prawo
Ä„ 1
El-rotujÄ…cy w lewo Ä… =
 (nl - np)
Substancja dla której Ep przesuwa się szybciej  prawoskrętna  kąt ą (+);
jeśli szybciej przesuwa się El  substancja lewoskrętna - kąt ą (-)
10
Skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego liniowo w
ośrodku optycznie czynnym
Po przebyciu określonej drogi w ośrodku
optycznie czynnym wypadkowa dwóch
P
drgań splaryzowanych kołowo w prawo i w
lewo będzie nadal spolaryzowana liniowo
ale wypadkowa płaszczyzna polaryzacji
A
ulegnie skręceniu
Badanie skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego (polarymetry):
po przepuszczeniu światła przez polaryzator (P) i analizator (A)
Intensywność światła przepuszczonego (prawo Malusa) :
P A
I = Iocos2Ä…
0% światła przechodzi,
Io - intensywność światła
100% światła przechodzi,
padajÄ…cego;
ą- kąt między kierunkami
inne
drgań światła spolaryzowanego i
zależy od kąta ą
kierunkiem polaryzacji A
położenie
Wprowadzenie substancji optycznie czynnej między P i
A na skutek skręcenia pł. polaryzacji zmienia
intensywność światła przepuszczonego. I zależy od ą
Czynniki wpływające na kąt skręcenia (ą)
Natura substancji
20
Ä… Å" M
D
Ć =
Skręcalność molowa Ć
100
20
Ä… Ä…
Skręcalność właściwa
D(589.3)
Skręcalność właściwa  kąt, o jaki ulegnie skręceniu płaszczyzna polaryzacji światła
odługości odp. żółtej linii sodu, w temp 20o C po przejściu 1 mm substancji stałej lub
1 dm cieczy; w przypadku roztworów 1 dm roztworu o stężeniu 1 g/cm3.
20 Ä… Å"100 Ä… Å"100
[Ä…] = ; czyli
C =
D
20
bÅ"C
bÅ"[Ä…]
D
Liczba cząsteczek (stężenie i grubości warstwy)
Li b t k ( t ż i i b ś i t )
Długość fali - dyspersja rotacyjna,
t 20
[Ä…] = [Ä…] + z(t - 20)
Temperatura
o
gdzie: t - temperatura w C, z - temperaturowy współczynnik skręcalności
(różny dla poszczególnych substancji).
11
Pomiar kąta skręcenia
Polarymetry kołowe
Schemat blokowy
Schemat blokowy
z
ródło światła  monochromatyczne (lampa sodowa lub Hg)
analizator ruchomy
zasada pomiaru  kompensacji kąta skręcenia dokonuje się przez obrót analizatora
skala - kÄ…towa
Ä… Å"100
Wyznaczanie stężenia : C =
20
bÅ"[Ä…]
D
Polarymetry klinowe (sacharymetry)
Pomiar oparty na prawach Biota
_
_
+
Schemat blokowy:
z
ródło światła  dla sacharozy -białe, dla innych cukrów- monochromatyczne (filtry
polaryzator i analizator skrzyżowane na stałe
zasada pomiaru  kompensacji kąta skręcenia dokonuje się przez zmianę grubości
(wsuwanie lub wysuwanie) w oś optyczną klina kwarcowego o skręcalności odwrotnej niż
badana substancja
badana substancja
skala - cukrowa- oparta na naważce normalnej
Naważka normalna - 26 g substancji w 100 cm3 roztworu; 100o cukrowych - 26 g
chemicznie czystej sacharozy rozpuszczonej w 100 cm3 wody mierzonej w rurce 2 dm w
temperaturze 20oC.
Wyznaczanie stężenia : a) sacharozy ; b) innych cukrów
12
Prawa Biota
1. Wielkość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez płytkę
kwarcu jest proporcjonalna do jej grubości.
2. W przypadku zastosowania dwóch płytek kwarcu prawoskrętnego i
lewoskrętnego o jednakowej grubości, płaszczyzna drgań światła
spolaryzowanego nie ulega skręceniu.
3. Kąt skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego przez kilka
złożonych razem płytek tego samego rodzaju kwarcu równa się
sumie algebraicznej kątów skręcania płaszczyzny polaryzacji
sumie algebraicznej kątów skręcania płaszczyzny polaryzacji,
wywołanych przez poszczególne płytki.
Pomiar kąta skręcenia
Polarymetry kołowe
Polarymetry klinowe (sacharymetry)
13
Pomiar kąta skręcenia
Zastosowanie polarymetrii
Badania ilościowe: oznaczanie stężenia substancji optycznie czynnych
(cukry (np.: sacharoza, glukoza, maltoza) białka, antybiotyki, alkaloidy)
Ä… Å"100
C =
20
bÅ"[Ä…]
D
Identyfikacja substancji (na podstawie skręcalności właściwej )
Metoda bardzo tania, bardzo prosta, stosunkowo dokładna.
Szeroko stosowana w analizie żywności, badaniach farmaceutycznych,
klinicznych, chemicznych, w przemyśle spożywczym, cukrowniczym,
kosmetycznym i innych.
14
Zastosowanie polarymetrii
Metoda bardzo tania, bardzo prosta, stosunkowo dokładna.
Szeroko stosowana w analizie żywności, badaniach farmaceutycznych,
klinicznych, chemicznych, w przemyśle spożywczym, cukrowniczym,
kosmetycznym i innych
kosmetycznym i innych.
" PN-R-64785:1994
Pasze -- Oznaczanie zawartości
skrobi metodÄ… polarymetrycznÄ…
http://www.kruess.com/uploads/media/BR_Polarimeter_EN.pdf
" PN-R-64785:1994
Pasze -- Oznaczanie zawartości skrobi metodą polarymetryczną
http://www.kruess.com/uploads/media/BR_Polarimeter_EN.pdf
15