Badanie substancji optycznie czynnych przy pomocy polarymetru

1. Wprowadzenie teoretyczne

2. Cel ćwiczenia

3. Wyposażenie stanowiska

4. Budowa urządzenia

5. Wykonanie ćwiczenia

1. Wprowadzenie teoretyczne

Światło - fala elektromagnetyczna poprzeczna. Znaczy to, że
gdzie:

• E - wektor natężenia pola elektrycznego

• H - wektor natężenia pola magnetycznego

• r- kierunek rozchodzenia się fali.

Światło z naturalnych źródeł charakteryzuje się tym, że drgania fali rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Mówimy wówczas, że jest to światło niespolaryzowane. Polaryzacja światła prowadzi do sytuacji gdy drgania poprzeczne fali sprowadzone są do jednej płaszczyzny - płaszczyzny polaryzacji.

Mówiąc o świetle spolaryzowanym musimy pamiętać, że rzadko kiedy jest ono całkowicie spolaryzowane. Przeważnie jest ono mieszaniną światła niespolaryzowanego i spolaryzowanego. Stopień polaryzacji światła opisujemy z pomocą:

gdzie I_spol to światło całkowicie spolaryzowane a I_niespol - niespolaryzowane.

Niektóre z substancji posiadają zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji. Nazywamy je substancjami optycznie czynnymi. Są to np. roztwory cukrów, białek i kwasów nukleinowych. Wielkością charakteryzującą każdą substancję optycznie czynną jest skręcalność właściwa:

gdzie:

• α - kąt skręcenia płaszczyzny

• [α] - skręcalność właściwa

• c - stężenie substancji

• l - grubość substancji.

Jak więc widać kąt skręcenia płaszczyzny zależy od trzech czynników skręcalności właściwej, stężenie i grubości substancji badanej.

Polaryzacja liniowa - odbicie i załamanie

Odbicie (ośrodki izotropowe)

W ośrodku izotropowym gdy α=n (kąt padania równy współczynnikowi odbicia substancji) mamy do czynienia z sytuacją gdy promień odbity jest całkowicie spolaryzowany i dodatkowo tworzy z promieniem załamanym kąt 90˚. Taki kąt α nazywamy kątem Brewstera. Kąt Brewstera dla wody wynosi 53˚.

Załamanie światła (ośrodki anizotropowe)

Promień światła pada na powierzchnię płytki np. szpatu islandzkiego który należy do substancji charakteryzujących się dwójłomnością. Promień ten podzieli się na dwie części -promień zwyczajny, zachowujący prawa załamania światła i nadzwyczajny, nie zachowujący praw załamania światła. Oba promienie są całkowicie spolaryzowane. Zjawisko to nazywamy podwójnym załamaniem i spotykane jest w ośrodkach zwanych dwójłomnymi.

Polaryzator Nicola

Wykorzystuje zjawisko podwójnego załamania światła do jego polaryzacji. Polaryzator ten tworzy się przez połączenie balsamem kanadyjskim o n=1.53 dwóch części kryształu szpatu islandzkiego przeciętego wzdłuż płaszczyzny przechodzącej przez oś optyczną kryształu. Promień padający dzieli się na zwyczajny i nadzwyczajny przy czym promień zwyczajny pada na warstwę balsamu pod kątem większym od granicznego. Ponieważ ścianki kryształu są zaczernione promień ten ulega wygaszeniu i wydostaje się tylko promień spolaryzowany w jednej płaszczyźnie - nadzwyczajny.

Dichroizm

W wyniku podwójnego załamania powstaje promień zwyczajny i nadzwyczajny. Promień zwyczajny jest mocniej pochłaniany przez ośrodek. Przy dostatecznej grubości płytki zostanie on całkowicie pochłonięty i wydostanie się światło spolaryzowane w jednej płaszczyźnie - promień nadzwyczajny. Substancje charakteryzujące się taką własnością wykorzystuje się do tworzenia polaroidów.

1. Cel ćwiczenia

Cele ćwiczenia:

1. Zbadanie kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji substancji optycznie czynnej (sacharoza, glukoza)

2. Określenie kierunku skręcalności płaszczyzny polaryzacji .

3. Wyznaczenie skręcalności właściwej.

4. Określenie nieznanego stężenia substancji na podstawie wykresu α=f(c)

1. Wyposażenie stanowiska

• Polarymetr

• Roztwory glukozy/sacharozy o 10 znanych stężeniach

• Roztwór glukozy/sacharozy o nieznanym stężeniu

• Woda destylowana

• Linijka

1. Budowa urządzenia

POLARYMETR













C

2. Wykonanie ćwiczenia

Wykonanie ćwiczenia

1. Włączyć transformator

2. Odczekać do momentu gdy światło wysyłane przez lampę sodową będzie żółte i jasne. (czas na rozgrzanie lampy sodowej)

3. Napełnić rurkę wodą destylowaną. Ważne jest by nie powstały pęcherzyki powietrza.

4. W polarymetrze umieścić rurkę z wodą destylowaną

5. Przy pomocy pokrętła nastawić na równe oświetlenie wszystkich trzech pól (rys 2). Jest to taki kąt skręcenia polaryzatora przy którym minimalne ruchy pokrętła w jedną i w drugą stronę spowodują nierównomierne oświetlenie i powstawanie ciemnego paska na jasnym tle (rys.1), bądź jasnego paska na ciemnym tle (rys.3).

















6. Ze skali odczytać kąt skręcenia płaszczyzny (powinien być bliski 0). Jeżeli nie jest równy 0 należy uwzględnić to w kolejnych pomiarach

7. Napełnić rurkę cieczą badaną i umieścić ją w polarymetrze

8. Ustawić na równe oświetlenie wszystkich trzech pól

9. Ze skali odczytać kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji

Pomiary powtórzyć trzykrotnie dla 10 stężeń dwóch substancji i umieścić w tabeli.

c1	α1	α2	α3	αśr
...

Sporządzić wykres α=f(c). Określić kierunek skręcenia płaszczyzny.

Zbadać substancję o nieznanym stężeniu.

α1
α2
α3
αśr

Określić jej stężenie na podstawie wykresu.

Zmierzyć długość probówki i obliczyć skręcalność właściwą substancji dla każdego kąta skręcenia. Aby podać skręcalność właściwą badanej substancji należy wyliczyć średnią z poszczególnych wartości skręcalności właściwej.

α1śr	[α]1
α2śr	[α]2
α3śr	[α]3
...	...

Zastosowanie: Oznaczanie cukru.

Z

N

Polaryzator

Analizator

Lampa sodowa

Pokrętło skręcające polaryzator

Skala

Odczyt kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji

Rys.1

Rys.2

Rys.3

α

α

---