Badanie skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez wodny roztwór cukru

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

W doświadczeniu wykorzystuje się falową naturę światła , która mówi , że światło jest falą elektromagnetyczną w której wektory pola elektrycznego  i pola magnetycznego  drgają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W związku z tym można otrzymać światło spolaryzowane. Można to zrobić kilkoma  sposobami : przez odbicie , załamanie , przez wykorzystanie zjawiska selektywnego pochłaniania i zjawiska dwójłomności. Ostatni sposób ( zjawisko dwójłomności światła ) wykorzystany jest w doświadczeniu.

Promień świetlny przechodząc przez kryształ jednoosiowy ( w naszym przypadku szpat islandzki zwany nikolem ) rozdziela się na dwa promienie całkowicie spolaryzowane. Jeżeli wiązkę światła przepuścimy przez dwa  skrzyżowane nikole ( polaryzator i analizator ) , to ulegnie ona całkowitemu wygaszeniu. Jeżeli między nikole wstawimy np.: roztwór cukru w wodzie , to pole widzenia ulegnie rozjaśnieniu. Ponowne zaciemnienie można uzyskać przez obrót analizatora o pewien kąt. Substancje skręcające płaszczyznę polaryzacji nazywamy   substancjami aktywnymi optycznie.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od rodzaju ciała , stęzenia roztworu , od grubości warstwy skręcającej   i wyraża się wzorem :

 , gdzie :

α - kąt skręcenia płaszczyzny ,

-  właściwa zdolność skręcania ,

d - grubość warstwy skręcającej ,

c - stężenie roztworu.

Do pomiaru kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji używa się polarymetrów. Polarymetry używane do wyznaczania stężenia cukru w roztworze nazywane są sacharymetrami.

Układ pomiarowy.

P - polaryzator             R - naczynie z badanym roztworem                 A - analizator

WYKONANIE ĆWICZENIA:

1.      Przygotowujemy roztwór cukru o znany stężeniu  (liczony w gramach na 100 cm³ roztworu) w następujący sposób. ważymy naczyńko wagowe puste (m₁), a potem napełnione do 2/3 wysokości cukrem (m₂). Obliczamy masę cukru (m₂-m₁). Cukier wsypujemy przez suchy lejek do menzurki, nalewamy do około 40 cm³ wody i  trzęsiemy aż do zupełnego rozpuszczenia. Odczekawszy około 10 minut odczytujemy dokładnie objętość roztworu i wyrażamy w decylitrach (V). Obliczamy stężenie:

  

2.      Przepłukujemy dwukrotnie kuwetę polarymetru niewielką ilością zrobionego  

      roztworu (roztwór użyty wylewamy do zlewu). Napełniamy naczynie z 

      "czubkiem" , przykręcamy szkiełkiem , (przy czym wylewa się nadmiar cieczy), i

      zakręcamy założywszy uszczelkę gumową. Po zakręceniu nie powinno być bańki 

     powietrza w naczyniu. Ścierką wycieramy naczynie do sucha i zakładamy do

     przyrządu.

3.      Uruchamiamy lampę sodową i czekamy 5 minut. (lampa świeci wówczas intensywnym żółtym światłem). Kręcąc okularem nastawiamy na ostrość obraz . Następnie kręcąc boczną śrubą uzyskujemy obraz możliwie ciemny. W pozycji tej przy niewielkich poruszeniach śruby w jedną i w drugą stronę obraz wygląda jak  na rysunku (a) i (b). Między tymi położeniami śruby znajdujemy takie położenie, kiedy całe pole jest jednakowo szarożółte (pasek jest zupełnie niewidoczny).

     Przy tym położeniu śruby  odczytujemy na bocznej podziałce kąt skręcenia z   

     dokładnością  do 0,05⁰ (korzystając z noniusza). Roztwór wylewamy do zlewu.

4. Odczytujemy na kuwecie jej długość (l) (podana w mm wyrazić w dm)  i wyznaczamy skręcenie właściwe ze wzoru:

5. Dokonujemy pomiaru kąta skręcenia dla nieznanego roztworu  cukru (dany gotowy w butelce). Postępujemy ściśle według punktów 2 i 3.

6. Wyznaczamy stężenie nieznanego roztworu ze wzoru:

Wyniki umieszczamy w tabelce:

Błąd maksymalny wyznaczamy ze wzoru:

,

gdzie:   

Aparatura:

Polarymetr kołowy, lampa sodowa, waga laboratoryjna, odważniki, naczyńko wagowe, menzurka, cukier.

masa cukru [g]	objętość roztworu [dm^3]	stężenie roztworu [g/dm^3]	kat skręcenia [^o]	długość kuwety [dm]	skręcenie właściwe	kąt skręcenia [^o]	stężenie niezn. roztworu
4,056	0,04	101,4	15,60	2	0,077	13,95	90,6

δ(m) = ^10-3g

δ(V) = 1 cm³ = 0,001 dm³

δ(α) = 0,05^o

Obliczenia:

Końcowe wyniki:

Wnioski:

Dzięki zastosowaniu kątomierza z noniuszem i szkła powiększającego do odczytu kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji pomiary mogły być wykonane z dokładnością do 0,01°. Poza wodnym roztworem cukru substancjami aktywnymi optycznie są takie substancje jak: roztwór kwasu winnego , ciała krystaliczne - kwarc , cynober ( siarczek rtęci ) , czyste ciecze - terpentyna , nikotyna. W  doświadczeniu wykorzystano światło sodowe (monochromatyczne), ponieważ współczynnik α₀ jest zależny  od długości fali świetlnej.