ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI

SPRAWOZDANIE

Temat: Skręcalność optyczna roztworów. Pomiar stężenia substancji optycznie czynnych za pomocą polarymetru.

1) Falowa teoria światła to teoria, zgodnie z którą światło traktuje się jako falę elektromagnetyczną. Uważa się dziś, że zjawiska charakterystyczne dla fal można wyjaśnić tylko za jej pomocą. Jednakże w przeciwieństwie do opozycyjnej teorii korpuskularnej teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk.

Teoria korpuskularna światła to teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie tej teorii wzmacnianie lub osłabianie wiązek świetlnych wyjaśniamy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk.

Przyjmuje się, że światło ma naturę dualną.
Dualizm korpuskularno-falowy wynika z równania de Broglie'a:

λ - długość fali

h - stała Plancka

p - pęd.

Zgodnie z jego założeniem poruszającą się cząstkę elementarną można uznać za falę o długości zależnej od wielkości jej pędu i na odwrót - kwantowi promieniowania elektromagnetycznego można przypisać pęd zależny od długości fali.

2) Odbicie światła - zjawisko zmiany kierunku rozprzestrzeniania się promieni świetlnych zachodzące na granicy dwóch ośrodków, przy czym gdy co najmniej jeden z nich jest przezroczysty. Przy odbiciu zachodzącym na powierzchni, której nierówności są małe w odniesieniu do długości padającej fali świetlnej, spełnione jest tzw. prawo odbicia: promień odbity pozostaje w tym samym ośrodku, w jakim znajdował się promień padający, oba promienie (padający i odbity) należą do jednej płaszczyzny prostopadłej do powierzchni odbijającej, kąty zawarte w tej płaszczyźnie pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkami obu promieni są sobie równe. Załamanie światła następuje wskutek zmiany prędkości rozchodzenia się światła przy przechodzeniu z jednego ośrodka materialnego do innego. Kiedy światło przechodzi z ośrodka o wyższej gęstości do ośrodka o niższej gęstości załamuje się od normalnej (prostopadłej do powierzchni w miejscu przechodzenia), natomiast gdy przechodzi z ośrodka o niższej gęstości do drugiego o wyższej załamuje się do normalnej. Promień załamywany nazywamy promieniem padającym, a kąt, który tworzy z normalną nazywamy kątem padania. Po załamaniu promień nazywamy promieniem załamanym, a kąt, który tworzy z normalną, kątem załamania. Promień padający, załamany i normalna leżą w tej samej płaszczyźnie. W ośrodku materialnym prędkość światła v zależy od jego częstotliwości, natomiast prędkość światła w próżni jest stała i wynosi c = 3 x 10³ km/s. Stosunek tych dwóch wielkości nazywany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania, który jest charakterystyczny dla danej substancji:

n = c/v.

Względny współczynnik załamania jednego ośrodka wobec drugiego określa stosunek bezwzględnych współczynników załamania tych ośrodków.

n_2/1 = n₂/n₁ = v₂/v₁

3) Całkowite wewnętrzne odbicie - odbicie światła zachodzące na granicy dwóch ośrodków przezroczystych charakteryzujących się współczynnikami załamania n₁ i n₂, n₁>n₂. Zjawisko obserwuje się w ośrodku o większym współczynniku załamania. Polega ono na odbiciu światła zachodzącym bez strat energii, nie towarzyszy mu załamanie światła. Obserwuje się go, gdy kąt padania (tj. kąt zawarty pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkiem promienia światła) jest większy od tzw. kąta granicznego całkowitego odbicia wewnętrznego. Wartość tego kąta wyraża się wzorem:


Wynika to z prawa załamania:

dla

4) Współczynnik załamania ośrodka - jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku:

n = v₁/v₂

gdzie:

v₁ - prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,

v₂ - prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.

Współczynnik załamania, jak sugeruje nazwa, istotny jest w zjawisku załamania, gdy fala rozchodząca się w ośrodku odniesienia pada na granicę z danym ośrodkiem i dalej rozchodzi się w tym ośrodku. Współczynnik ten wiąże się bezpośrednio z kątem padania i kątem załamania. Związek ten wyraża prawo Snelliusa:

n = sinα/sinβ

gdzie

α - kąt padania promienia fali na granicę ośrodków (kąt między kierunkiem promienia a normalną do powierzchni granicznej ośrodków),

β - kąt załamania (kąt między kierunkiem promienia załamanego w danym ośrodku a normalną do powierzchni).

Wzór wynikający z prawa Snelliusa jest wykorzystywany do doświadczalnego wyznaczania współczynnika załamania. Współczynnik załamania pośrednio ma wpływ na inne zjawiska na granicy dwóch ośrodków. Zależy od niego np. współczynnik odbicia. Współczynnik załamania można określać dla dowolnej fali, najczęściej jednak jest stosowany do światła i fal dźwiękowych.

5) Polaryzacja polega na uporządkowaniu kierunków drgań pól elektrycznych i magnetycznych, tak by drgania pola elektrycznego odbywały się na jednaj płaszczyźnie, prostopadłej do płaszczyzny drań pola magnetycznego i kierunku rozchodzenia się fali.

Światło można spolaryzować:

- odbijając wiązkę od powierzchni dielektryków (np. szkła). Gdy niespolaryzowane światło pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych pod takim kątem (kąt Brewstera), że promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt prosty, to światło odbite zostaje całkowicie, a światło przechodzące częściowo spolaryzowane liniowo;

- przepuszczając wiązkę przez filtr polaryzacyjny (polaroid). Jest to przejrzysta płytka pokryta małymi, sztucznymi kryształkami, których osie optyczne zorientowane są w jednym kierunku. Przy rozpraszaniu fali elektromagnetycznej na cząsteczkach mniejszych od jej długości następuje jej polaryzacja. Fala rozproszona pod kątem prostym jest całkowicie spolaryzowana liniowo, a rozproszona w innym kierunku jest spolaryzowana częściowo;

- przepuszczając światło przez kryształy anizotropowe. Niektóre kryształy wykazują anizotropię stałej dielektrycznej, co powoduje, że prędkość rozchodzenia się światła, a więc i współczynnik załamania zależy od kierunku. W takim krysztale podczas załamania promień wchodzący do kryształu rozdziela się na dwa o prostopadłych polaryzacjach liniowych. Zjawisko to, wykorzystuje się do otrzymywania wiązki światła spolaryzowanego w pryzmacie Nicola. W każdym krysztale dwójłomnym istnieje kierunek, w którym biegnące światło nie rozdziela się na dwa promienie, ale jego spolaryzowane składowe poruszają się z różnymi prędkościami. Zjawisko to wykorzystywane jest do zmiany rodzaju polaryzacji światła w płytkach ćwierćfalowych i płytkach półfalowych.

6) Pryzmat Nicola (zwany nikolem) - rodzaj polaryzatora. Służy do wyeliminowania jednego z dwóch promieni spolaryzowanych wskutek podwójnego załamania. Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO₃), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Oś optyczna jest równoległa do powierzchni, na którą pada promień. Promień światła po wejściu do kryształu, rozszczepia się więc na dwa promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny i nadzwyczajny. Oba promienie biegną w krysztale po tej samej drodze, ale z inną prędkością.
Współczynnik załamania balsamu kanadyjskiego wynosi n_bk = 1,550, ma wartość pośrednią między współczynnikiem załamania dla promienia zwyczajnego n_o = 1,658 i dla nadzwyczajnego n_e = 1,486. Balsam jest więc dla promienia zwyczajnego optycznie rzadszy, a dla nadzwyczajnego gęstszy. Kąt przecięcia pryzmatu jest tak dobrany, aby kąt padania A na powierzchnię balsamu, był dla promienia zwyczajnego większy od kąta granicznego całkowitego wewnętrznego odbicia, a dla promienia nadzwyczajnego mniejszy od kąta granicznego. Tak więc promień zwyczajny odbija się od balsamu i jest absorbowany na czarnej ściance pryzmatu, natomiast promień nadzwyczajny przechodzi przez balsam i dalej przez cały pryzmat.

7) Optycznie czynne substancje - substancje skręcające kierunek polaryzacji przenikającego je światła. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji można wyjaśnić, rozkładając falę spolaryzowaną liniowo na dwie fale spolaryzowane kołowo w przeciwnych kierunkach. Prędkości rozchodzenia się drgań kołowych w substancji optycznie czynnej są różne. Jedna z fal spolaryzowanych kołowo tak się opóźnia, że przy wychodzeniu z kryształu jej płaszczyzna drgań jest przesunięta o pewien kąt względem pierwotnej płaszczyzny:

α = π/λ (n' - n”),

gdzie:

n' , n” - współczynniki załamania promieni spolaryzowanych w lewo i prawo

W roztworach:

α = α₀ lc

gdzie:

α₀ - skręcalność właściwa;

l - grubość warstwy roztworu (dm).

Skręcalność właściwa jest równa kątowi skręcenia płaszczyzny polaryzacji podczas przebiegu przez roztwór o jednostkowym stężeniu ( c = 1 g/cm³) i jednostkowej grubości warstwy (l=1dm³).

8) Polarymetr jest to przyrząd optyczny służący do określania skręcalności substancji aktywnych optycznie, czyli takich substancji, których cząsteczki skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Po odpowiednim wyskalowaniu może służyć bezpośrednio do pomiaru stężenia roztworów tych substancji. Polarymetr służy też do określania składu mieszanin enancjomerów. Polarymetr jest zbudowany z dwóch polaryzatorów np. pryzmatów Nicola (nikoli). Pierwszy z nikoli nosi nazwę polaryzatora a drugi analizatora. Pomiędzy polaryzatorami znajduje się standaryzowana kuweta, w której umieszcza się badaną substancję.

---