Zuzanna Lewandowska,

Małgorzata Maciejewska

Gr. VI

Zespół nr 4

Skręcalność optyczna roztworów. Pomiar stężenia substancji optycznie czynnych za pomocą polarymetru. Wyznaczanie stężenia roztworów metodą refraktometryczną.

Zagadnienia:

1. Falowa i kwantowa teoria światła.

2. Zjawisko odbicia i załamania światła. Współczynnik załamania światła.

3. Całkowite wewnętrzne odbicie.

4. Zjawisko polaryzacji. Metody polaryzacji światła.

5. Przejście światła przez pryzmat Nikola.

6. Substancje optycznie czynne. Wyznaczanie stężeń substancji optycznie czynnych za pomocą polarymetru.

Ad. 1

Falowa teoria światła zakłada, że światło jest falą elektromagnetyczną, czyli zaburzeniem pola elektromagnetycznego, rozchodzącym się w przestrzeni z bardzo dużą prędkością. Odkrycie zjawisk dyfrakcji i interferencji stało się dowodem na to, że światło jest falą. Dodatkowo zjawisko polaryzacji pokazało, że jest to fala poprzeczna.

Albert Einstain wykorzystując hipotezę kwantów (M. Planck, 1900r.) opublikował w 1905r. nową teorię kwantową światła zakładającą, że światło rozchodzi się w określonych porcjach energii, zwanych kwantami. Teoria ta nawiązuje do teorii korpuskularnej światła (Newton), zakładające, że rozchodzenie się światła polega na prostoliniowym ruchu maleńkich cząstek (korpuskuł) wylatujących ze źródła. W mikroukładach (np. elektron w atomie) niektóre wielkości opisujące elektron mogą przyjmować tylko określone wartości, a tym samym mogą one zmieniać się tylko o określone wielkości. Tak określone porcje nazywane są kwantami.

W przypadku oddziaływań elektromagnetycznych kwant energii nosi nazwę fotonu i jest równy hν, gdzie h - stała Plancka, ν - częstość emitowanej lub absorbowanej fali elektromagnetycznej. Jeśli dostarczymy energię do atomu to elektrony przenoszą się na wyższy poziom energetyczny (wyższy orbital - upraszczając : wieksza energia wyrzuca je podobnie jak siła odśrodkowa w mechanice klasycznej na większe koło). Elektron powracając ze stanu wzbudzenia na niższą orbitę emituje kwant energii hν (to „fał”to jest greckie „ni”). Kwantowość oznacza, ze nie może zająć dowolnego promienia, ale tylko ściśle określone orbity. Tak samo przy powrocie, elektron może wrócić na orbital podstawowy albo jakiś inny po drodze o mniejszym stopniu wzbudzenia. Czyli atom może emitować określone tylko porcje energii (kwanty) zależne od tego, który elektron skąd dokąd powraca. Ale Atom nie może wyemitować energii o dowolnej wartości. Jak się żelastwo podgrzeje w kuźni to świeci bo elektrony emitują kwanty światła. W przypadku oddziaływań elektromagnetycznych kwant energii nosi nazwę fotonu. Jak się podgrzeje bardziej to świeci bardziej żółtym światłem niż czerwonym - bo wracają z wyższych orbit. W zależności od długości fali fale e-m określa się mianem fal radiowych (długich, średnich, krótkich, ultrakrótkich i mikrofal), fal świetlnych (podczerwonych, widzialnych i ultrafioletowych), promieni Roentgena (X) i promieniowania gamma. W ujęciu kwantowym, zgodnie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego, fale elektromagnetyczne o częstotliwości ν są strumieniami fotonów o energii E = hν, gdzie h - stała Plancka.

Ad.2

Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Typowe odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. Prawo odbicia: Kąt odbicia równy jest kątowi padania. Kąty - padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie.

Załamanie światła następuje wskutek zmiany prędkości rozchodzenia się światła w różnych ośrodkach. Promień świetlny przechodząc z ośrodka 1 do 2 zmienia prędkość fali, a co za tym idzie także jej długość.

Współczynnik załamania pozwala określić kierunek biegu promieni załamanych. Współczynnik zależy od materiałów, a dla danych materiałów także od długości fali.

Fale elektromagnetyczne są jedynym rodzajem fali mogącym rozchodzić się w próżni (rozchodzą się ze stałą prędkością c=3*10³ m/s), c=3*10⁸ m/s

stąd bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka materialnego(n) to stosunek prędkości światła w próżni (c) do prędkości światła w danym ośrodku (v). n=c/v

Względny współczynnik załamania dwóch ośrodków względem siebie to stosunek bezwzględnych współczynników załamania tych ośrodków.

- prędkość światła w substancji A,

- prędkość światła w substancji B.

Prędkość światła w ośrodku zależy od częstotliwośći (w zakresie widzialnym -koloru) fali. Dlatego w kropelkach deszczu następuje rozszczepienie (dyspersja) światła białego na składowe kolory. Bo różnią się one nieco częstotliwością i różnie się załamują) Ponieważ współczynnik załamania jest jedną z podstawowych własności fizycznych substancji, jest wykorzystywany do identyfikowania substancji, określania jej czystości czy pomiaru jej stężenia. W ten sposób bada się ciała stałe (szkła, kryształy i kamienie szlachetne), gazy i ciecze. Często w oparciu o współczynnik załamania bada się stężenie substancji w roztworach ciekłych. Przyrządem używanym do pomiaru współczynnika załamania jest refraktometr.

Ad.3

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal, w tym dla światła, występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu. Czyli w basenie będąc blisko powierzcni i patrząc pod dużym kątem rzędu 85* (- kąt mierzy się od prostej normalnej czyli prostopadłej) czyli patrząc niemal wzdłuż powierzchni nie zobaczymy tego co jest nad wodą tylko odbicie ściany basenu

Ad.4

Światło z naturalnych źródeł charakteryzuje się tym, że drgania fali rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Polaryzacja światła prowadzi do sytuacji gdzie drgania poprzeczne fali sprowadzone są do jednej płaszczyzny - płaszczyzny polaryzacji.

Mówiąc o świetle spolaryzowanym musimy pamiętać, że przeważnie jest ono mieszaniną światła niespolaryzowanego i spolaryzowanego.

Stopień polaryzacji p określa się zgodnie z wzorem:

p = (Imax- Imin)/( Imax+Imin),

gdzie: Imax i Imin to maksymalne i minimalne natężenia światła o wzajemnie prostopadłych kierunkach polaryzacji.

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:

α₀= α/lc

Liczbowo wielkość ta jest równa kątowi α, o jaki zostaje skręcona płaszczyzna polaryzacji podczas przejścia światła przez roztwór o jednostkowym stężeniu (c=1g/cm³) i jednostkowej grubości warstwy (l=1dm)

Metody polaryzacji światła:

1. Odbijając od powierzchni dielektryków, wiązka światła odbita jest całkowicie

spolaryzowana, gdy kąt padania wynosi Φi jest określony przez stosunek współczynników

załamania obu granicznych ośrodków. Kąt taki nazywa się kątem Brewstera i spełnia

warunek:

tg Φ= n₂/ n₁

Promień odbity będzie spolaryzowany całkowicie liniowo, a promień załamany, który

tworzy kąt prosty z promieniem odbitym, będzie spolaryzowany częściowo.

2. Przepuszczając światło przez filtr polaryzacyjny (polaroid).

Polaroid jest przejrzystą płytką (celofan lub masa plastyczna) o grubości ok. 0,1mm, pokrytą dużą liczbą drobnych, sztucznych kryształków, odgrywających rolę polaryzatorów. Często bywają używane kryształki herapatytu (siarczanu jodochininy).

W procesie wytwarzania polaroidu osie optyczne wszystkich kryształków orientują się

w jednym określonym kierunku. Płytka polaroidu jest elastyczna, może mieć dowolne

rozmiary, tylko nieznacznie pochłania światło.

3. Przepuszczając światło przez ciała anizotropowe i uzyskując podwójne załamanie

(dwójłomność) .

Najczęściej stosowane w tym celu ciała to: kryształy szpatu islandzkiego (kalcyt - CaCO3),

z których wykonuje się pryzmaty polaryzujące światło, tzw. Pryzmaty Nicola.

Ad. 5

Pryzmat Nikola, w których wykorzystuje się zjawisko dwójłomności, są zasadniczymi

elementami polarymetrów lub sacharymetrów. Nikol składa się odpowiednio oszlifowanego,

przeciętego, a następnie sklejonego balsamem kanadyjskim kryształu szpatu islandzkiego. Promień nadzwyczajny przechodzi przez nikol bez zmiany kierunku i można go wykorzystać jako źródło światła liniowo spolaryzowanego. Promień zwyczajny doznaje całkowitego wewnętrznego odbicia i zostaje usunięty poza pryzmat.

Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do energii drgań świetlnych, a więc do kwadratu amplitudy drgań A, więc stosunek natężenia światła wychodzącego I do natężenia światła padającego I0 można przedstawić za pomocą wzoru:

I/I₀ = (A cos β)² / A² = cos²β

Skąd:

I = I₀ cos²β <-prawo Malusa

Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO₃), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Oś optyczna (na schemacie odcinek OP) 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 (oznaczony przez o, z polaryzacją prostopadłą do rysunku - co symbolizują kropki) i nadzwyczajny (oznaczony przez e, z polaryzacją równoległą do rysunku - co symbolizują kreski). 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 (na schemacie dolnej), natomiast promień nadzwyczajny przechodzi przez balsam i dalej przez cały pryzmat. Zaletą pryzmatu Nicola jest uzyskiwanie fali całkowicie spolaryzowanej, bez zmiany kierunku jej biegu.

bo twojego opisu nie rozumiałem

Ad.6

Substancje optycznie czynne to substancje wykazujące aktywność optyczną, czyli skręcające płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo w prawo (możemy oznaczać znakiem „+”) lub w lewo („-”) o pewien, charakterystyczny dla danej substancji kąt. Aktywność ta jest wynikiem specyficznej budowy cząsteczek związku (np.obecność atomów asymetrycznych, budowa helikalna) lub szczególnego rozmieszczenia atomów bądź jonów w komórkach elementarnych kryształów.

Substancjami optycznie czynnymi są na przykład roztwory cukrów, białek.

Różne substancje naturalne pochodzenia organicznego są wyłącznie prawoskrętne.

Stężenia roztworów optycznie czynnych wyznacza się z użyciem polarymetrów. Do wykonania pomiaru wykorzystuje się światło sodowe o długości fali 589nm. Światło z żarówki przechodzi kolejno przez: żółty filtr, polaryzator, płytkę Laurenta (dzielącą obserwowane pole na trzy kontrastowo oświetlone części), następnie spolaryzowana już wiązka światła trafia do naczynia z roztworem, przechodzi przez analizator (nikol) i trafia do lunetki. Kąt skręcenia można odczytać w chwili uzyskania równomiernego oświetlenia całego pola widzenia.

Wzór końcowy:

α

c= -----

α_0srl

c	l	α	αśr	α0	αx	cx
g/cm^3	dm			cm^3/g dm		g/cm^3

---