Laboratorium Fizyki	Numer ćw O2	Data ćw: 1998-06-		Grupa: 11M	Politechnika Świętokrzyska w Kielcach
Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE KATA SKRECANIA PLASZCZYZNY POLARYZACJI I WLASCIWEGO ROZTWORU CUKRU
Wykonał: Kiniorski Rafał			Ocena:			Data:	Podpis:

1. Wiadomości wstępne:

Liniowo spolaryzowane światło, przy przejściu przez niektóre kryształy oraz roztwory tzw. substancji optycznie czynnych, doznaje skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Dla substancji tych wprowadza się tzw. właściwą zdolność skręcającą [α] zdefiniowaną wzorem Biota:

α=[α]cl

gdzie c - stężenie roztworu, a l - długość drogi promienia w roztworze. W praktyce kąt α mierzymy jako różnicę wskazań α_c i α_o analizatora w przypadkach: gdy roztwór o stężeniu c skręca płaszczyznę polaryzacji o kąt α_c oraz gdy zamiast roztworu na drodze promienia znajduje się czysty rozpuszczalnik, wtedy obserwowany kąt wynosi α_o. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji jest więc równocześnie miarą stężenia roztworu. Jeżeli przez α_x oznaczymy skręcenie wywołane przez roztwór o nieznanym stężeniu, to otrzymamy

α_c - α_o = [α] c l_c

α_x - α_o = [α] c_x l_x

Zakładając dodatkowo, że pomiary wykonujemy w tym samym naczyniu l_c = l_x = l to otrzymamy

Substancje optycznie czynne występują w dwóch postaciach, wykazujących taką samą właściwą zdolność skręcającą [α], lecz skręcających w przeciwnych kierunkach. Stąd substancje optyczne czynne dzielimy na prawo- i lewoskrętne. Kryształy prawo- i lewoskrętne różnią się budową podobnie jak przedmiot i jego obraz w zwierciadle płaskim, są to tzw. odmiany enancjomorficzne. W substancjach optycznie czynnych występuje tzw. węgiel asymetryczny tzn. taki, w którym każda z wartościowości wysycona jest przez inny atom lub grupę atomów. Przykładem takiej substancji może być kwas mlekowy CH₃∗CHOH∗COOH, którego drobiny przyjmować mogą dwie postaci stereosymetryczne. Każda z odmian skręca płaszczyznę polaryzacji w innym kierunku. W podobny sposób zachowują się takie substancje jak alkohol etylowy, cukier sacharoza i glukoza, kwas winny itp., jak również niektóre związki azotu, krzemu i fosforu.

Polarymetr służy do pomiaru skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w substancjach optycznie czynnych. Polarymetry przeznaczone do pomiaru stężenia cukru nazywamy sacharymetrami. Polarymetr składa się ze zwierciadła Z kierującego światło do przyrządu, filtru F przepuszczającego wyłącznie światło żółte, polaryzatora P, przyrządu półcieniowego L zmieniającego płaszczyznę polaryzacji części pola widzenia o niewielki kąt, rurki R zawierającej badaną ciecz lub roztwór, analizatora A połączonego z kątomierzem K oraz lunetki G. Przyrząd zaopatrzony jest ponadto w dodatkową lupę zwiększającą dokładność odczytu kąta. Lunetka i lupa mają możliwość dopasowania do ostrości widzenia. Analizator i zwierciadło mogą obrócić się wokół osi optycznej przyrządu, a zwierciadło również wokół osi O.

Jeżeli przyrząd nie jest zaopatrzony w filtr, trzeba stosować żółte światło sodowe. Funkcja większości części przyrządu jest oczywista. Bliższego wyjaśnienia wymaga przyrząd półcieniowy. Oko ludzkie jest mało wrażliwe na zmiany oświetlenia całego pola widzenia. Stąd dokładne ustalenie płaszczyzny polaryzacji za pomocą analizatora powoduje duże trudności. Celem zwiększenia precyzji odczytu wykorzystuje się dużą wrażliwość oka na niewielkie nawet różnice oświetlenia poszczególnych części pola widzenia. Przyrząd półcieniowy dzieli pole widzenia na części zmieniając nieco płaszczyznę polaryzacji światła w jednej z nich lub w obydwu. Za przyrządem półcieniowym płaszczyzny polaryzacji poszczególnych części wiązki światła tworzą ze sobą niewielki kąt α. Dla uzyskania równego oświetlenia całego pola widzenia przy nieobecności roztworu, analizator ustawiamy w ten sposób, by jego płaszczyzna polaryzacji dzieliła kąt α na dwie równe części. Po wprowadzeniu ciała optycznie czynnego płaszczyzna polaryzacji ulega skręceniu w tym samym kierunku o taki sam kąt w obydwu częściach pola widzenia. Stąd celem ponownego uzyskania równości oświetlenia całego pola widzenia, analizator skręcić musimy o kąt, równy kątowi skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

2. Wykonanie ćwiczenia.

Pomiaru skręceni płaszczyzny polaryzacji za pomocą przyrządu półcieniowego dokonujemy, w sposób następujący . znajdujemy najpierw położenie zerowe analizatora bez ciała skręcającego płaszczyznę polaryzacji, a następnie położenie analizatora po napełnieniu rurki ciałem optycznie czynnym.

Napełniamy rurkę wodą destylowaną i spoglądając przez lunetkę w kierunku źródła światła ustawiamy oś polarymetru tak, aby pole widzenie było jak najjaśniejsze. Wsuwając i wysuwając okular lunety ustawiamy go w takim położeniu , aby linia podziału pola widzenia była jak najostrzejsza. Kierunek tej linii podziału zależy od ustawienia urządzenia półcieniowego : zwykle jest to kierunek pionowy. Po tych czynnościach wstępnych obracamy analizator naokoło kierunku biegu promienia za pomocą odpowiedniej gałki i znajdujemy położenie , przy którym obie połówki pola widzenia będą jednakowo ciemne. Będzie to położenie zerowe analizatora: odczytujemy je na skali kątowej. Pomiar ten powtarzamy kilkakrotnie .obliczamy średnią wartość położenia zerowego a. Z rurki wylewamy wodę destylowaną ,a napełniamy ją przygotowanym roztworem wody z cukrem. Wskutek tego płaszczyzna polaryzacji zostaje skręcana i ustawienia analizatora trzeba dokonać na nowo tak, aby całe pole widzenia było jednorodnie zaciemnione. Ćwiczenie powtarzamy kilkakrotnie dla trzech próbek o stężeniach cukru w wodzie: 3%, 6%, 9%.Zaobserwowane wyniki umieszczamy w tabeli.

	I	II	III	IV	V	Średnia s	Kąt skręcenia α	Odchylenie standardowe
Woda destylowana 0%	0,30^o	0,4^o	0,30^o	0,40^o	0,40^o	0,36	0,18	0,024
Roztwór cukru 3%	5,00^o	5,00^o	5,10^o	5,10^o	5,00^o	5,04	2,43	0,024
Roztwór cukru 6%	8,60^o	8,50^o	8,60^o	8,70^o	8,50^o	8,58	4,2	0,037
Roztwór cukru 9%	12,20^o	12,10^o	12,00^o	11,90^o	12,00^o	12,02	5,92	0,037

3. WZORY DO OBLICZEŃ:

• Wartość średnia dla każdego stężenia.

• Wartość kąta skręcenia:

Długość rurki w której znajduje się badany roztwór wynosi L = 200mm.

• Obliczanie odchylenia standardowego dla danych roztworów.

β - kolejny kat pomiarowy dla każdego stężenia,

s - średnia wartość kąta dla każdego stężenia.

4. WYKRES

Wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od stężenia roztworu cukru

5. WNIOSEK:

Wraz ze wzrostem stężenia roztworu wzrasta kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

I

III

---