Транскрипт

1 Лабораторная работа 3.10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРАЩЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА Е.В. Козис, В.И. Рябенков. Цель работы: изучение явления оптической активности. Экспериментальная проверка зависимости вращения плоскости поляризации от длины волны света. Задание: получить зависимость угла поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света от толщины слоя сахарного раствора. Определить концентрацию растворов сахара и удельные постоянные вращения для различных длин волн Подготовка к выполнению лабораторной работы:изучить понятие оптической активности. Ознакомиться с устройством и принципом действия поляриметра. Подготовить ответы на контрольные вопросы. Библиографический список 1. Савельев И.В. Курс общей физики -М.: Наука, 1987, том 2, гл. XIX, Трофимова Т.И. Курс физики М.: Высш. Шк г, раздел 5, гл.22, 196. Контрольные вопросы 1. В чем состоит явление вращения плоскости поляризации? 2. Какие вещества называют оптически активными? Приведите примеры. 3. Каково строение оптически активных веществ? 4. Что называют постоянной вращения и в каких единицах ее измеряют? 5. Что такое удельная постоянная вращения плоскости поляризации? Какова размерность этой величины? 6. Что понимают под концентрацией раствора?

2 7. Каким образом феноменологическая теория Френеля объясняет явление оптической активности? 8. Как вращение плоскости поляризации зависит от длины волны света? 9. Чему равна оптическая разность хода и разность фаз двух циркулярно-поляризованных волн, прошедших через оптически активное вещество? 10. Как можно измерить угол поворота плоскости поляризации с помощью двух поляризаторов? 11. Опишите конструкцию поляриметра. Как им пользоваться? 12. Как в данной работе определяются удельные постоянные вращения для различных длин волн света? Теоретическое введение Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. Это означает, что при прохождении через такое вещество линейнополяризованного света, направление колебаний светового вектора постепенно изменяется. Оптически активными являются, например, кристаллы кварца и аметиста. Если направить луч света вдоль оптической оси такого кристалла, будет наблюдаться поворот плоскости поляризации. Кроме кристаллов оптическая активность присуща некоторым жидкостям (скипидар, никотин), а также растворам (например, раствор сахара в воде). Для кристаллов и чистых жидкостей угол поворота направления колебаний равен φ = α d, (1) где d - толщина пластинки или слоя жидкости, а α постоянная вращения. Она выражается в радианах на метр или в градусах на миллиметр. Постоянная вращения зависит от длины волны, природы вещества и температуры. Так, у кварца в красной области спектра 15 град мм, в зеленой - 27 град мм, в фиолетовой - 51 град мм. Эти данные показывают, что дисперсия вращательной способности кварца весьма значительна.

3 Интересно, что кварц, как и другие оптически активные вещества, имеют две разновидности правовращающие и левовращающие. Первые поворачивают плоскость колебаний по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, вторые в противоположном направлении. В растворах угол поворота φ зависит от природы растворенного вещества, от его концентрации и от длины образца, а именно φ = [α]cl. (2) Здесь [α] - удельная постоянная вращения, l - расстояние, пройденное светом в растворе, а C его массовая концентрация m C, (3) V где m масса растворенного активного вещества, а V объем раствора. Удельное вращение зависит от длины волны (в грубом 2 приближении ~) и температуры (зависимость незначительная, для большинства веществ уменьшается примерно на одну тысячную своей величины при повышении температуры на один градус), растворителя. Величина имеет размерность 2 2 рад м кг или град см г. Из соотношения (2) следует, что, измерив угол поворота плоскости поляризации луча, прошедшего через раствор сахара, можно вычислить его концентрацию, если известны и l. Объяснение оптической активности было предложено Френелем. Согласно его теории, вращение плоскости поляризации происходит из-за различия скоростей распространения волн, поляризованных по кругу в разных направлениях. Действительно, линейно-поляризованную волну можно разложить на две волны, в которых векторы E вращаются синхронно в противоположные стороны. Если фазовая скорость одной из волн будет больше другой, то по мере их распространения в оптически активной среде будет нарастать сдвиг по фазе между ними, и направление колебаний результирующего вектора будет поворачиваться.

4 Так как при этом будут различными и показатели преломления, то речь фактически идет о двойном лучепреломлении. Справедливость своих предположений Френель подтвердил экспериментально. Ему удалось пространственно разделить линейно поляризованную волну на две циркулярно-поляризованные волны, пропуская луч света через составную призму из левовращающего и правовращающего кварца. Пусть имеется плоско-поляризованная электромагнитная волна с частотой, распространяющаяся на нас вдоль оси x (вертикальный вектор E на рисунке 1). Её можно представить в виде суммы двух волн с циркулярной поляризацией. Одна из них право-поляризованная, в которой вектор E пр вращается по часовой стрелке, другая лево-поляризованная и E л вращается против часовой стрелки. E л А E φ л φ пр E пр E л А φ л φ E φ пр E пр φ л = φ пр B Рис 1 Рис 2 Как видно из рис. 1, при вращении векторов с одинаковой угловой скоростью их положение в данной точке в любой момент времени будет симметрично относительно оси АВ (φ л = φ пр). При попадании света в оптически-активную среду фазовые скорости «правой» и «левой» волн, а, значит и их показатели преломления n пр и n л, станут различными. Тогда в любой точке внутри этой В

5 среды одна из волн будет отставать по фазе от другой и положение векторов Е л и Е пр уже не будет симметрично относительно оси АВ (рис. 2). В результате, направление колебании вектора Е будет повернуто на некоторый угол φ относительно этой оси. Из рисунка видно, что л пр и (пр л) 2 (все углы берутся по модулю). Разность углов φ пр и φ л является по сути разностью фаз δ рассматриваемых волн, которая определяется, как известно, их оптической разностью хода Δ по формуле 2. Если толщина оптически активного слоя равна l, то Δ= l (n л - n пр) и, следовательно, постоянная вращения равна n, л n пр что полностью соответствует экспериментальным данным. Величина n n для типичных оптически активных веществ состав- л пр ляет Описание аппаратуры и метода измерений Приборы, предназначенные для измерения угла поворота плоскости поляризации света, называются поляриметрами. Для изучения явления оптической активности в данной работе используется поляриметр с четырьмя светодиодами. Схема устройства поляриметра и его внешний вид показаны на рисунках 3 и 4. В качестве источника света используется один из четырех монохроматических светодиодов с известной длиной волны. Свет от источника проходит через неподвижный поляризатор и становится линейно поляризованным (рис. 3). При пустой измерительной камере интенсивность света, видимого через анализатор минимальна для всех цветов, когда указатель находится напротив риски соответствующей углу 360 (0º) (поляризаторы «скрещены»).

6 Источник света Вращающийся поляризатор 270º 360º + Неподвижный поляризатор При помещении в измерительную камеру правовращающего вещества происходит поворот плоскости поляризации по часовой стрелке (если смотреть сверху). В результате, интенсивность наблюдаемого света увеличивается. Чтобы измерить угол пово- Оптическиактивное вещество 90º 180º Рис. 3 Отверстие для наблюдения Точка отсчета Анализатор Измерительная камера Переключатель светодиодов Рис. 4

7 рота надо вращать диск анализатора по часовой стрелке (относительно положения 360) так, чтобы интенсивность света снова стала минимальной. Отсчитываемый против указателя угол обозначим р (р < 360). При этом искомый угол поворота плоскости поляризации будет равен = 360 р. Если поместить в измерительную камеру левовращающее вещество, то для уменьшения интенсивности надо поворачивать анализатор против часовой стрелки. В этом случае угол поворота плоскости поляризации будет = р. Порядок выполнения работы Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляется четыре различных оптически активных раствора. Упражнение 1. Измерение угла поворота плоскости поляризации в зависимости от длины образца. 1. Включите питание поляриметра и убедитесь в том, что минимум интенсивности света, прошедшего через анализатор, получается при угле 360º. 2. Снимите с поляриметра диск анализатора и выньте из измерительной камеры цилиндрическую емкость-образец. Влейте в нее 10 мл раствора 1 (при этом длина образца l= 19 мм). 3. Протрите наружные стенки емкости насухо и установите ее в измерительную камеру, следя за тем, чтобы жидкость не попала на стенки измерительной камеры. 4. Поместите на камеру диск анализатора. Внимание! Соблюдайте особую осторожность при снятии и установке на место диска анализатора! 5. Поставьте переключатель светодиодов в положение отвечающее красному цвету. 6. Глядя в анализатор, поворачивайте его так, чтобы яркость выходящего из него света уменьшалась, и установите его в положение соответствующее минимальной яркости. 7. Занесите угол поворота φ (с учетом знака) в таблицу 1.

8 Таблица 1 Номер опыта Объем р-ра, мл l, мм Красный 630 нм Желтый 580 нм φ, град Зеленый 525 нм Синий 468 нм Вместо красного светодиода поочередно включите желтый, зеленый и синий светодиоды. Измерьте в каждом случае угол поворота и запишите результаты (с учетом знака) в таблицу Извлеките емкость из измерительной камеры. Влейте в нее дополнительно 10 мл того же раствора (при этом высота столба жидкости l составит 38 мм.). 10. Снова установите емкость в измерительную камеру, следя за тем, чтобы жидкость не попала на ее стенки. 11. Проделайте измерения углов φ, описанные в пунктах Проведите аналогичные измерения для 40, 60, 80 и 100 мл раствора. Все полученные результаты занесите в таблицу Извлеките емкость и вылейте раствор обратно в сосуд 1. Упражнение 2. Измерение угла поворота плоскости поляризации в зависимости от концентрации раствора. 1. Залейте в емкость-образец 100 мл раствора 2 и снова установите емкость в измерительную камеру, следя за тем, чтобы жидкость не попала на стенки камеры. 2. Измерьте углы поворота φ для каждого из четырех цветов и занесите результаты (с учетом знака) в таблицу Извлеките емкость и вылейте раствор обратно в сосуд Аналогичным образом проделайте измерения углов для растворов 3 и 4. Закончив опыты, вылейте растворы в соот-

9 ветствующие сосуды. Занесите все результаты в таблицу 2. Данные для р-ра 1 возьмите из первой таблицы. Таблица 2 р-ра l, мм Красного 630 нм Желтый 580 нм, град. Зеленый 525 нм Синий 468 нм Обработка результатов измерений Упражнение На одном листе миллиметровой бумаги построить графики зависимости угла поворота плоскости поляризации от l для всех четырех длин волн. 2. Убедиться в линейной зависимости от l и в том, что все прямые проходят через ноль. Определить угловой коэффициент k для каждой прямой как отношение /l. Согласно формуле (2) этот коэффициент является произведением постоянной вращения для данного цвета на концентрацию раствора 1, т.е. k = [α] C Считая, что для желтого света (λ = 580 нм) удельная постоянная вращения сахарозы известна и равна [α] ж = 6,85 2 град см г, рассчитать [α] кр, [α] з и [α] с, используя очевидное соотношение k k ж. ж 4. Оценить погрешности результатов по формуле k k ж ж, k k ж ж

10 где k l k. l Рекомендуется брать значения углов φ для l = 114 мм. 5. Рассчитать значения Δ[α] и записать окончательные результаты в виде [α] ± Δ[α]. 6. Построить график зависимости удельной постоянной вращения от длины волны света λ и убедиться в том, что она соответствует теории, согласно которой ~. Для этого следует рассчитать теоретические значения [α], полагая постоянную вращения [α] ж сахарозы известной. Упражнение Пользуясь данными таблицы 2 определить концентрацию каждого раствора по формуле C l для всех четырех цветов. 2. Рассчитать среднее значение концентрации каждого раствора. 3. Построить графики зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора для каждой длины волны. Сравнить полученные результаты с теорией. 2

Лабораторная работа 3.10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРАЩЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА Е.В. Козис, В.И. Рябенков Цель работы: изучение явления оптической активности. Экспериментальная проверка

Лабораторная работа 3.09 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЕЩЕСТВ Е.В. Жданова, Е.В. Козис Цель работы: исследовать явление оптической активности на примере арца и сахарного раствора. Задание: измерить

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Лабораторная работа 3.12 ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ А.М. Попов Цель работы: изучение вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе, помещенном в магнитное поле (эффекта

Лабораторная работа 3.12 ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ И.Е. Кузнецова, А.М. Попов. Цель работы: изучение вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе, помещенном в магнитное

Изучение вращения плоскости поляризации на поляриметре. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них линейно поляризованного

Лабораторная работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО МАТЕРИАЛА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ Е.В. Козис, А.А. Задерновский Цель работы: изучение явления поляризации света на границе раздела двух

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 85 ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ САХАРИМЕТРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНЫХ

Лабораторная работа 3. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА Т.Ю. Любезнова, К.В. Куликовский Цель работы: изучение явления поляризации света и свойств линейнополяризованного света. Задание:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В РАСТВОРЕ Цель работы: изучение принципа работы поляриметра и определение удельного вращения раствора и концентрации глюкозы в растворе. Приборы и принадлежности: поляриметр,

Лабораторная работа 16. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В РАСТВОРАХ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ. Цель работы: изучение вращения плоскости поляризации света при прохождении через раствор оптически активного

Лабораторная работа 3.22 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА Т.Ю. Любезнова Цель работы: изучение явления поляризации света и свойств линейно-поляризованного света. Задание: проверить

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.18 ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Минск 005 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.18

Лабораторная работа 17 Определение угла поворота плоскости поляризации оптически активными средами Цель работы: ознакомиться с явлением оптической активности и определить концентрацию сахара в растворе.

Лабораторная работа 17. ПОЛЯРИЗАЦИЯ. ЗАКОНЫ МАЛЮСА И БРЮСТЕРА. ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ. Цель работы: Проверка законов Малюса и Брюстера. Получение эллиптически поляризованного света из линейно поляризованного

Министерство образования и науки Российской Федерации Дальневосточный федеральный университет Школа естественных наук ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ Методические указания к лабораторной работе 4.11 по дисциплине «Физический

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 17-1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА И ПРОХОЖДЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ЧЕРЕЗ ФАЗОВУЮ ПЛАСТИНКУ Цель работы: проверка закона Малюса и анализ поляризованного света, прошедшего через фазовую

Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический университет Кафедра теоретической и экспериментальной физики «УТВЕРЖДАЮ» Декан ЕНМФ И.П. Чернов 1 г. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Методическое

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Лабораторная работа 15 Изучение сахариметра и определение концентрации сахара в растворе Ярославль 2014 Оглавление 1. Вопросы

Поляризация света Лекция 4.3. Поляризация явление выделения линейно поляризованного света из естественного или частично поляризованного. 1. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса Следствием теории

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра

Получение и исследование поляризованного света. Цель работы: изучить явление поляризации света. Решаемые задачи: - получить линейно поляризованный свет; - пронаблюдать изменения интенсивности света в зависимости

Методические указания к выполнению лабораторной работы 3.2.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Степанова Л.Ф. Волновая оптика: Методические указания к выполнению лабораторных

Лабораторная работа 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО МАТЕРИАЛА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ Е.В. Козис, А.А. Задерновский Цель работы: изучение явления поляризации света на границе

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Могилевский государственный университет продовольствия» Кафедра физики ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Методические указания

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В РАСТВОРЕ Приборы и принадлежности: поляриметр, растворы глюкозы различной концентрации. Цель работы: определение концентрации водного раствора глюкозы поляриметром. 1.

Лабораторная работа 17. Поляризация света. Закон Малюса. Угол Брюстера. Цель работы: Изучение поляризации света при отражении и преломлении: 1. Определение степени поляризации излучения лазера, 2. Проверка

Занятие Тема: Поляризованный свет Цель: Типы поляризации света Закон Малюса Формулы Френеля для отраженного и преломленного света Коэффициенты отражения и преломления Краткая теория Свет представляет собой

Лабораторная работа 7. Поляризация света. Закон Малюса. Угол Брюстера. Цель работы: Изучение поляризации света при отражении и преломлении:. Определение степени поляризации излучения лазера,. Проверка

3 Цель работы: ознакомиться с явлением естественной оптической активности. Задача: определить удельное вращение раствора сахара в воде и концентрацию сахара в водном растворе. Приборы и принадлежности:

Лабораторная работа 3.08 ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА ДЛЯ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА В.А. Росляков, А.В. Чайкин Цель работы: Экспериментальная проверка закона Малюса для линейно поляризованного света. Задание:

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА 1. Луч света падает на поверхность воды (n = 1,33). На какой угловой высоте ϕ над горизонтом должно находиться солнце, чтобы поляризация солнечного света, отражённого от поверхности воды,

010504. Двулучепреломление. Четвертьволновая фазовая пластинка. Цель работы: получение эллиптически поляризованного света из линейно поляризованного с помощью четвертьволновой пластинки и его анализ. Требуемое

Работа 3.04 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ Ю.Н.Волгин ЗАДАЧА 1. Исследование искусственной оптической активности (эффекта Фарадея) стекла. Определение постоянной Верде и марки стекла. 2.Исследование естесственной

Оптика. Поляризация света Лекция 5-6 Постникова Екатерина Ивановна, доцент кафедры экспериментальной физики 21.10.2015 Поляризация света Световая волна имеет электромагнитную природу. Её представляют как

Лабораторная работа 2.13 ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Е.В. Козис, А.М. Попов Цель работы: определить значение горизонтальной составляющей индукции магнитного

) Под каким углом должен падать пучок света из воздуха на поверхность жидкости, чтобы при отражении от дна стеклянного сосуда (n =,5) наполненного водой (n 2 =,33) свет был полностью поляризован. 2) Какова

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Цель работы: Ознакомление с явлением оптической активности и определение концентрации сахара в растворе. Оборудование: Круговой поляриметр

Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Кафедра фармацевтической и токсикологической химии Контроль качества лекарственных средств методом поляриметрии К.В. Ноздрин Москва 2014 г Цель занятия сформировать теоретические

Лабораторная работа 15 ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ Приборы и принадлежности: Поляриметр, источник света (лампа накаливания), растворы глюкозы известной концентрации. Bведение На рис.1 изображена

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение явления поляризации электромагнитных волн (ЭМВ), экспериментальная проверка закона Малюса для плоскополяризованных ЭМВ.. ПОДГОТОВКА

Лабораторная работа 3.08 ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА ДЛЯ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА В.А. Росляков, А.В. Чайкин Цель работы: Экспериментальная проверка закона Малюса для линейно поляризованного а. Задание:

3 Цель работы: ознакомиться с явлением дисперсии стеклянной призмы. Задача: определить показатель преломления стеклянной призмы для некоторых длин волн линий спектра ртутной лампы. Техника безопасности:

Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ Работа 3.02 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА В.И.Сафаров ЗАДАЧА Исследование и преобразование поляризации света с помощью поляризатора и фазовых пластинок. Проверка

Лабораторная работа 16 Определение концентрации раствора сахара с помощью сахариметра Цель работы: изучение работы сахариметра и его градуировка. Определение концентрации раствора сахара. Приборы и принадлежности:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.02. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА Введение В данной работе предстоит исследовать явления, связанные с поляризацией электромагнитных волн. Волной называют процесс распространения

Лабораторная работа 9 Изучение вращения плоскости поляризации света Цель работы: Ознакомление с явлением оптической активности и определение концентрации сахара в растворе. Оборудование: Круговой поляриметр

Лабораторная работа 3.03 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ РАВНОГО НАКЛОНА В.И. Рябенков, Е.В. Козис Цель работы: изучение интерференции монохроматических волн оптического

Поляризация электромагнитных волн. (по описаниям задач практикума 47 и 4 Из электромагнитной теории света, базирующейся на системе уравнений Максвелла, следует, что световые волны поперечны. Это означает,

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9а ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАНННОГО СВЕТА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА. ЗАКОН МАЛЮСА. УГОЛ БРЮСТЕРА Цель работы:) определить степень поляризации излучения лазера) проверить справедливость закона

Лабораторная работа 16 Исследование поляризации световых волн Теория Рис.6 Рис.63 Все электромагнитные волны поперечны, т.е. взаимно перпендикулярные векторы напряженности электрического E и магнитного

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Вариант 1 / КР-5 1. Интенсивность электромагнитной волны, падающей нормально на поверхность тела равна 2.7 мвт/м 2. Давление этой волны на поверхность 12 ппа. Чему равняется коэффициент отражения света.

«Казанский (Приволжский) Федеральный Университет» Институт физики ОТЧЕТ по лабораторной работе 701 Получение и исследование поляризованного света. 2016 Лабораторная работа 701 Получение и исследование

Лабораторная работа 0 ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАЦИОННОЙ РЕШЕТКИ Приборы и принадлежности: Спектрометр, осветитель, дифракционная решетка с периодом 0,0 мм. Введение Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых

Работа 3.05 Формулы Френеля - Теория ажения О.С. Вавилова Ю.П. Яшин Цель работы: Изучить теорию Френеля для ажения и преломления света на границе двух диэлектриков, исследовать энергетические соотношения

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана С.Л. Тимченко, Н. А. Задорожный А.В. Семиколенов, В. Г. Голубев, А.В. Кравцов ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТОВЫХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА

5 Волновая оптика Основные формулы и определения Интерференцией света называется сложение когерентных волн, в результате которого происходит перераспределение световой энергии в пространстве, что приводит

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Рассмотрено и рекомендовано к печати на

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 53 Изучение естественного вращения плоскости поляризации Методические указания к лабораторной работе для студентов

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 86 ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ С ПОМОЩЬЮ ГОНИОМЕТРА Выполнил студент группы Преподаватель

90 Задание 1. Выберите правильный ответ: ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА 1. Поляризацией света называется свойство света характеризующееся.... а) тем, что световая волна является продольной; б) ориентированностью электрических

Лабораторная работа 3.06 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ Н.А. Экономов, Козис Е.В Цель работы: изучение явления дифракции световых волн на дифракционной решетке. Задание:

Лабораторная работа 3.07 ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР Н.А. Экономов, А.М. Попов. Цель работы: экспериментальное определение угловой дисперсии дифракционной решетки и расчёт её максимальной

`ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.0 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ ПРИ ПОМОЩИ КОЛЕЦ НЬЮТОНА. Цель работы Целью данной работы является изучение явления интерференции света и применения этого явления для измерения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 49 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА Цель работы изучение поляризации лазерного излучения; экспериментальное определение угла Брюстера и показателя преломления стекла.

Лабораторная работа 3. ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА Цель работы: исследования дифракционной картины, получаемой в результате дифракции света в параллельных лучах на одиночной щели, одномерной и двумерной дифракционных

Работа 27а ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Цель работы: исследование поляризации света при отражении от диэлектрика, определение угла полной поляризации. Исследование прохождения света через поляроиды. Оборудование:

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 53 Изучение естественного

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 (8) ИЗУЧЕНИЕ ПРОЗРАЧНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ Цель работы: Ознакомление с прозрачной дифракционной решёткой определение длин волн красного и зелёного цветов определение дисперсии

Министерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра физики ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ДВУМЕРНОЙ

Для оптически активных веществ определяют величину вращения плоскости поляризации. Оптическое вращение - способность вещества отклонять плоскость поляризации при прохождении через него плоскополяризованного света. В зависимости от природы вещества вращение плоскости поляризации может иметь различные направление и величину. Различают правовращающие вещества (условно обозначают d или +) и левовращающие вещества (условно обозначаются I или -). Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают а. Величина угла зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, температуры и длины волны света. Величина угла вращения прямо пропорциональна толщине слоя. Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение.

Удельным вращением называют вращение плоскости поляризации, вызванное слоем вещества толщиной 1 дм при пересчете на содержание 1 г вещества в 1 мл объема. Для жидких веществ удельное вращение определяют по формуле:

Для растворов веществ:

где аlpha - измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя жидкости, дм; с - концентрация раствора, выраженная в граммах на 100 мл раствора; d - плотность жидкости.

Величина удельного вращения зависит также от природы растворителя и концентрации раствора. При замене растворителя может изменяться не только величина угла вращения, но и его направление. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. В интервале концентраций, при которых удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию вещества в растворе:

Ряд оптически активных веществ в растворе изменяет угол вращения до определяемой постоянной величины. Это объясняется наличием в растворе смеси стереоизомерных форм, имеющих различные значения угла вращения. Только через некоторое время устанавливается в растворе равновесие между различными оптическими изомерами. Особенно часто с этим явлением приходится встречаться при анализе сахаров. Свойство растворов в течение некоторого времени изменять величину угла вращения называется мутаротацией.

Определение угла вращения плоскости поляризации проводят в приборах, называемых поляриметрами. Правила пользования данной моделью поляриметра изложены в инструкции к прибору. Определение, как правило, проводят для D - линии натрия при 20 С.

Общий заключается в следующем. Луч от источника света направляется через желтый светофильтр в призму-поляризатор. Проходя через призму Николя, луч света поляризуется, колебания его совершаются только в одной плоскости. Плоскополяризованный свет пропускают через кювету с раствором оптически активного вещества. При этом отклонение плоскости поляризации света определяют с помощью второй, вращающейся, призмы Николя (анализатора), которая жестко связана с градуированной шкалой. Наблюдаемое через окуляр значительное поле, разделенное на две или три части различной яркости, следует сделать равномерно освещенным, поворачивая анализатор. Величину поворота считывают со шкалы. Для проверки нулевой точки прибора проводят аналогичные измерения без исследуемого раствора. Направление плоскости поляризации, как правило, устанавливают направлением поворота анализатора. Конструкция отечественных поляриметров такова, что если для получения однородного освещенного поля зрения приходится повернуть анализатор вправо, т. е. по часовой стрелке, то исследуемое вещество было правовращающим, что обозначается знаком + (плюс) или d. При повороте анализатора против часовой стрелки получаем левое вращение, обозначаемое знаком - (минус) или I.

В других приборах точное направление вращения определяют при помощи повторного измерения, которое проводят либо с половинной толщиной слоя жидкости либо с половинной концентрацией. Если при этом получают угол вращения а/2 или а/2+900, то можно считать, что вещество является правовращающим. Если новый угол вращения равен 90 - а/2 или 180 -а/2, то вещество обладает левым вращением. Удельное вращение не очень сильно зависит от температуры, однако для точных измерений термостатирование кюветы необходимо. При данных по оптическому вращению необходимо указывать применяемый растворитель и концентрацию вещества в растворе, например [а]о = 27,3 в воде (С=0,15 г/мл).

Поляриметрические определения применяют как для установления количественного содержания оптически активных веществ в растворах, так и для проверки их чистоты.

2. До включения прибора в сеть установите минимальную чувствительность прибора, вращая ручку «Установка 100» против часовой стрелки до упора.

3. Проверьте соответствие нулевого положения стрелки микроамперметра, при необходимости отрегулируйте его винтом 7 корректора (рис. 3).

4. Введите зеленый поглотитель «3» рукояткой «Поглотители».

5. Включить прибор в сеть.

6. Откройте крышку 1 фотоэлектроколориметра и достаньте кюветодержатель.

7. Извлеките кювету «Растворитель», заполните ее на 2/3 объема водой и установите на место. Установите кюветодержатель в фотоколориметр. Крышку кюветной камеры не закрывайте.

8. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с растворителем на пути светового потока.

9. Установите нуль по шкале микроамперметра рукояткой 5 «Установка 0».

10. Закройте крышку 1 кюветного отделения и рукояткой 4 «Установка 100» установите стрелку микроамперметра на сотое деление.

11. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките пустую кювету, заполните ее на 2/3 объема исследуемым раствором наименьшей концентрации и установите на место.

N в таблицу 1.

14. Откройте крышку 1 кюветной камеры и достаньте кюветодержатель. Извлеките кювету с исследуемым раствором и слейте его в баночку с раствором той же концентрации. Протрите кювету, заполните ее на 2/3 объема следующим раствором и установите на место.

15. Поставьте кюветодержатель в фотоколориметр. Рукояткой 3 «Кюветы» расположите кювету с исследуемым раствором на пути светового потока. Закройте крышку кюветной камеры.

16. Произведите отсчет по шкале микроамперметра 6 и запишите N в таблицу 1.

17. Проделайте пункты 14 – 16 с остальными растворами.

18.Проведите еще две серии опытов по пунктам 14 – 16 со всеми растворами, начиная с раствора наименьшей концентрации. Не забудьте слить последний раствор.

19.Выключите прибор из сети.

Обработка результатов измерений

доли. На пересечении строки со столбцом приводятся соответствующие значения коэффициента пропускания. При отыскании значений оптической плотности, соответствующих значениям коэффициентов пропускания, меньших 0,081, сначала увеличьте данный коэффициент пропускания в 10 раз, затем найдите значение оптической плотности, соответствующее полученному коэффициенту пропускания, и к этому значению прибавьте единицу.

3. Рассчитайте для всех значений D ее абсолютную погрешность по формуле D | D ср D изм | , найдите среднее значение D ,

результаты занесите в таблицу 1.

Примечание. Если в результате расчета абсолютной погрешности оптической плотности получается нуль, то примите D 0, 01 .

4. По средним значениям оптической плотности D ср для всех

известных концентраций с учетом абсолютной ее погрешности постройте градуировочный график D f (C ) .

5. Отметьте на графике точку, соответствующую среднему значению оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

6. Отметьте на графике интервал средней абсолютной погрешности оптической плотности раствора неизвестной концентрации.

7. Определите по графику значение концентрации раствора C х ,

опустив перпендикуляр на соответствующую координатную ось.

8. Определите по графику абсолютную погрешность концентрации раствора (см. пример на стр. 15).

9. Определите относительную погрешность определения концентрации неизвестного раствора по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что называется явлением поглощения света веществом?

2. Что такое интенсивность света? В каких единицах она изме-

3. Каким законом описывается явление поглощения света веществом? Сформулируйте его и запишите математически.

4. В чем заключается физический смысл коэффициента поглощения? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

5. Что называется коэффициентом пропускания? В каких единицах он измеряется и как обозначается?

6. Что такое оптическая плотность? В каких единицах она измеряется и как обозначается?

7. Сформулируйте и запишите закон Бера.

8. Сформулируйте и запишите закон Бугера-Ламберта.

9. Изобразите оптическую схему фотоэлектроколориметра и расскажите назначение его основных частей.

10. В чем заключается метод определения концентрации вещества в растворе фотоэлектроколориметром.

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ

Цель работы: изучить общие закономерности поляризации света; ознакомиться с устройством и принципом работы сахариметра; определить концентрацию сахара в растворе и удельную постоянную вращения сахара.

Оборудование : сахариметр, кюветы с растворами сахара.

Основные теоретические сведения

Световое излучение является частью широкого спектра электромагнитных волн. Электромагнитной волной называется переменное магнитное и электрическое поля, взаимно порождающих друг друга и распространяющаяся в пространстве. Из электромагнитной теории света следует, что световые волны поперечны . В каждой точке на линии распространения такой волны, перпендикулярно направлению еѐ

ляющую электромагнитной световой волны.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника света. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными ко-

Рис. 2. Колебания светового вектора в естественном (а) и поляризованном (б) свете

лебаниями светового вектора. Свет со всевозможными направлениями колебаний светового вектора называется естественным (рис. 2 а ).

Солнце, лампы накаливания, ртутные лампы, лампы дневного света являются источниками естественного света. Свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены ка- ким-либо образом, называется по-

ляризованным (рис 2 б) . Если ко-

лебания светового вектора происходят только в одной плоскости,

свет называют плоскополяризо-

ванным . Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью по-

ляризации (рис.3).

Поляризация света происходит при отражении света от поверхности диэлектриков, при преломлении в них, а также при прохождении света через некоторые кристаллы (кварца, турмалина, исландского шпата). Эти вещества, названные поляризаторами (поляроидами ), пропускают колебания, параллельные только одной плоскости (плоскости поляризации), и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

При попадании естественного света на границу диэлектриков (рис. 4) преломленный и отраженные световые волны оказываются частично поляризованными.

Степень поляризации отраженного луча меняется при изменении угла па-

дения. Существует угол

Рис. 3. Поляризованная волна и плоскость поляризации

Рис. 4. Поляризация света при отражении и преломлении

падения, при котором отраженный луч оказывается полностью поляризованным, а преломленный максимально возможно. Этот угол падения называется углом полной поляризации или углом Брюстера α Бр .

Угол Брюстера можно определить по одноименному закону Брюстера : если угол падения равен углу Брюстера, то

отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, при этом тангенс угла полной поляризации равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой:

Бр n 1

где n 2 и n 1 – абсолютные показатели преломления второй и первой сред соответственно.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, поэтому поляризованный свет обнаруживается по явлениям, свойственным только ему. Поляризованный свет можно определить при помощи обычного поляризатора. Поляризаторы, предназначенные для исследования поляризованного света, называются анализаторами, т.е. один и тот же поляроид можно использовать и как поляризатор, и как анализатор.

Поляризация света в поляроидах подчиняется закону Малюса: если естественный свет проходит через два поляризующих прибора, плоскости поляризации которых располагаются друг к другу под углом, то интенсивность света, пропущенного такой системой (рис. 5) будет пропорциональна cos2 , при этом в первом поляризаторе свет теряет половину своей интенсивности:

где I – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор и анализатор;

I ест – интенсивность естественного света;

I 0 – интенсивность поляризованного света, прошедшего поляризатор; α – угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

Рис 5. Прохождение света через систему поляризатор-анализатор

Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора параллельны (=0, 2), то из закона Малюса следует, что через анализатор проходит свет максимально возможной интенсивности. Если плоскости поляризации анализатора и поляризатора перпендикулярны (= /2, 3 /2), то через анализатор свет проходить не будет совсем.

Интенсивность света не имеет точного определения. Этот термин применяют вместо терминов световой поток, яркость, освещенность и др. в тех случаях, когда несущественно их конкретное содержание, а нужно подчеркнуть лишь большую или меньшую их абсолютную величину. В оптике чаще всего интенсивностью света называют мощность излучения через поверхность единичной площади, т. е. энергию излучения, проходящую за единицу времени через поверхность единичной площади. В этом случае единица интенсивности в СИ: =1 Вт/м2 (ватт на квадратный метр ).

При прохождении поляризованного света через некоторые кристаллы (кварц, киноварь и другие), а так же через растворы сахара, мочевины, белков плоскость колебаний поворачивается на некоторый угол. Это явление называется вращением плоскости колебаний поля-

ризованного света . Вещества, вращающие плоскость поляризации,

называются оптически активными.

Для большинства оптически активных кристаллов обнаружено существование двух модификаций, осуществляющих вращение плоскости поляризации по часовой стрелке (правовращающие) и против (левовращающие) для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине раствора и концентрации оптически активного вещества:

где о – удельная постоянная вращения; l – толщина раствора;

C – концентрация оптически активного вещества.

Физический смысл удельной постоянной вращения заключается в том, что она показывает, на какой угол поворачивает плоскость поляризации оптически активное вещество единичной концентрации при прохождении светом единичной длины. В общем случае она зависит от температуры раствора и от длины волны проходящего через раствор света.

Единица измерения удельной постоянной вращения в СИ: [φ 0 ]=1

рад/м∙% (радиан на метр-процент).

В производстве широко используется Международная сахарная шкала, в которой 100 S=34,62 º угловым. С учетом этого единица измерения удельной постоянной вращения может быть представлена в виде: [φ 0 ]=1 S /м∙% (градус сахарной шкалы на метр-процент ).

Обоснование метода

Явление вращения плоскости колебаний поляризованного света используется для определения концентрации оптически активного вещества в растворах при помощи приборов, называемых поляриметрами . Поляриметры, шкала которых проградуирована в единицах Международной сахарной шкалы, называются сахариметрами .

Определение концентрации растворов сахара при помощи поляриметров и сахариметров применяется при исследованиях в сельском хозяйстве, в лабораториях химической, пищевой, нефтяной промышленности.

Простейший поляриметр (рис. 6) состоит из двух поляризаторов, источника света и устройства для измерения угловых величин.

Рис. 6. Схема простейшего поляриметра

Поляризаторы перед началом измерений устанавливают таким образом, чтобы их плоскости поляризации были взаимно перпендикулярны. При этом свет через систему поляризатор-анализатор не проходит, и наблюдатель видит темноту. Если между двумя поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Это происходит потому, что активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, вышедшего из первого поляризатора на угол φ . В результате, часть света проходит анализатор, и наблюдатель может это заметить. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть анализатор против направления вращения плоскости поляризации на угол равный углу вращения φ. Угол поворота анализатора легко поддаѐтся измерению. Зная удельную постоянную вращения вещества и толщину раствора оптически активного вещества, можно по формуле 3 определить концентрацию раствора.

Часто при измерениях концентрации оптически активных веществ в растворах удельная постоянная вращения неизвестна. В этом случае взяв раствор известной концентрации С изв этого же вещества, определяют поляриметром угол поворота плоскости поляризации этим раствором изв , а удельную постоянную вращения о вычисляют из формулы (3):

Для нахождения концентрации неизвестного раствора С х , с помощью поляриметра определяют угол вращения плоскости поляризации света этим раствором х . Используя формулы (3) и (4), при условии равенства толщины растворов l , определяют С х по формуле:

При таком определении концентрации неизвестного раствора, как видно из формулы (5), знание численного значения удельной постоянной вращения и толщины слоя, вращающего плоскость поляризации вещества, необязательно.

Описание установки

В работе для определения удельной постоянной вращения сахара и его концентрации в растворе используется сахариметр универсальный СУ-4. Принципиальная схема сахариметра представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема полутеневого сахариметра

Исследуемое вещество 5 помещается между полутеневым поляризатором, состоящим из двух половин 3 и 4, и анализатором 6. Пропускание анализатора меняется в соответствии с законом Малюса при изменении угла между плоскостью поляризации анализатора 6 и плоскостью поляризации падающего на него света.

Использование полутеневого поляризатора 3 и 4 обусловлено тем, что установка обычного поляризатора на темноту не может быть осуществлена достаточно точно. В полутеневых поляризаторах произ-

Рис. 8. Вид поля зрения в саха- водится установка не на темноту, а риметре с полутеневым поля- на равенство освещенностей двух ризатором половин полей зрения I и II (рис. 8а ). Глаз человека очень чувствителен к нарушениям равенства

освещенностей двух соседних полей (рис. 8 б , в ), поэтому с помощью полутеневого устройства положение плоскости поляризации может быть установлено с гораздо большей точностью, чем путем установки

поляризатора на темноту.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Поляриметрия ОФС.1.2.1.0018.15
Взамен ГФ XII ,ч.1, ОФС 42-0041-07

Оптическое вращение – свойство вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света.

В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак (+); если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак (–).

Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой α. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света, т. е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно.

Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращении [α].

Удельное оптическое вращение представляет собой угол вращения α плоскости поляризации монохроматического света при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм), выраженный в градусах, измеренный при температуре 20 ºС, рассчитанный для толщины слоя испытуемого вещества 1 дм и приведенный к концентрации вещества, равной 1 г/мл. Выражается в градус-миллилитрах на дециметр-грамм [(º) ∙ мл ∙ дм -1 ∙ г -1 ].

Иногда для измерения используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.

При определении [α] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества.

Замена растворителя может привести к изменению [α] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора.

Удельное вращение определяют в пересчете на сухое вещество или из высушенной навески, что должно быть указано в фармакопейной статье.

Измерение угла вращения проводят на поляриметре, позволяющем определить величину угла вращения с точностью ± 0,02 ºС при температуре (20 ± 0,5) ºС. Измерения оптического вращения могут проводиться и при других значениях температуры, но в таких случаях в фармакопейной статье должен быть указан способ учета температуры. Шкалу обычно проверяют при помощи сертифицированных кварцевых пластинок. Линейность шкалы может быть проверена при помощи растворов сахарозы.

Оптическое вращение растворов должно быть измерено в течение 30 мин с момента их приготовления; растворы или жидкие вещества должны быть прозрачными. При измерении прежде всего следует установить нулевую точку прибора или определить величину поправки с трубкой, заполненной чистым растворителем (при работе с растворами), или с пустой трубкой (при работе с жидкими веществами). После установки прибора на нулевую точку или определения величины поправки проводят основное измерение, которое повторяют не менее 3 раз.

Для получения величины угла вращения α показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суммируют с ранее найденной величиной поправки.

Величину удельного вращения [α] рассчитывают по одной из следующих формул.

Для веществ, находящихся в растворе:

l – толщина слоя, дм;

c – концентрация раствора, г вещества на 100 мл раствора.

Для жидких веществ:

где α – измеренный угол вращения, градусы;

l – толщина слоя, дм;

ρ – плотность жидкого вещества, г/мл.

Измерение величины угла вращения проводят для оценки чистоты оптически активного вещества или для определения его концентрации в растворе. Для оценки чистоты вещества по уравнению (1) или (2) рассчитывают величину его удельного вращения [α]. Концентрацию оптически активного вещества в растворе находят по формуле:

Поскольку величина [α] постоянна только в определенном интервале концентраций, возможность использования формулы (3) ограничивается этим интервалом.

Удельное вращение плоскости поляризации оптически активным веществом определяется как угол вращения, отнесенный к единице толщины просвечиваемого материала:

Если угол вращения измеряется в угловых градусах, а толщина слоя l - в мм, то размерность удельного вращения составит [град/мм].

Соответственно удельное вращение оптически активной жидкости (не раствора) с плотностью с [г/см 3 ] определяется выражением

Так как оптическая активность жидкостей намного меньше оптической активности твердых тел, а толщина слоя жидкости измеряется в дециметрах , то удельное вращение жидкостей имеет размерность [град·см- 3 /(дм·г)].

Удельное вращение раствора оптически активного вещества в оптически неактивном растворителе с концентрацией С (г/100 мл) раствора определяется по формуле

В органической химии как разновидность удельного вращения используется также величина молярного вращения.

Определение концентрации растворенных оптически активных веществ по результатам измерения угла вращения б [град] при данной толщине слоя l [дм] для определенной длины волны [нм] производится по уравнению Био (1831 г.):

Закон Био практически всегда выполняется в области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют место существенные отклонения

Мешающие факторы при поляриметрических измерениях

При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.

Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.

Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1/10000), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.

При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.

При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости. поляризация свет вращение оптический