Принципы действия поляриметров и сахариметров

Приборы, с помощью которых определяют угол поворота плоскости поляризации и концентрации растворов оптически активных веществ, называются поляриметрами. Поляриметры называют также сахариметрами, т.к. они часто используются для определения концентрации сахарных растворов.

Простейшая установка для наблюдения вращения плоскости поляризации растворами (рис) состоит из источника монохроматического света S, двух призм Николя (поляризатора P, анализатора A) и кюветы T с исследуемым раствором.

Пусть при отсутствии раствора в кювете анализатор повернут так, чтобы свет полностью гасился. Если наполнить кювету раствором активного вещества, то наступает просветление поля зрения. Угол, на который нужно повернуть анализатор до полного затемнения, очевидно, равен углу поворота плоскости поляризации. Вследствие дисперсии постоянной вращения при освещении белым светом вращение анализатора не приводит к полному затемнению. На практике для получения полного затемнения применяют светофильтры.

Угол поворота плоскости поляризации с помощью установки, изображенной на рис.1, можно определить лишь приближенно, т.к. человеческий глаз не может точно отметить положение, в котором анализатор установлен на полное затемнение поля зрения. Поэтому при измерениях применяются полутеневые поляриметры, устанавливаемые не на темноту поля зрения, а на равное освещение двух половин поля зрения.

 

Рис.1. Установка для наблюдения поворота угла поворота плоскости поляризации света: S – источник света, P – поляризатор, T – кювета с раствором оптически активного вещества, A – анализатор.

Главной частью полутеневого поляриметра является полутеневой анализатор. Полутеневым анализатором может служить совокупность обычного анализатора и кристаллической пластинки в полволны. Пластинка закрывает половину поля зрения. Пусть (рис.2) АА – оптическая ось пластинки; А₁А₁ – след плоскости, в которой колеблется световой вектор в волне, падающей на пластинку; А₂А₂ – след плоскости, в которой колеблется световой вектор в волне, выходящей из пластинки. Если анализатор установлен так, что след его плоскости пропускания занимает положение ВВ, то, согласно закону Малюса, интенсивность света, вышедшего из анализатора, равна:

, (1)

где – интенсивность света, падающего на анализатор. Все поле зрения равномерно освещено.

При другом положении плоскости пропускания анализатора половины поля зрения, разделенные краем кристаллической пластинки, имеют разные освещенности.

Оба поля зрения будут иметь одинаковые освещенности не только, если плоскость пропускания анализатора занимает положение ВВ, но и в том случае, если она параллельна оптической оси пластинки. Однако положение ВВ, дающее слабое освещение (полутень), более выгодно в отношении установки на равенство освещенностей благодаря физиологическим особенностям глаза, более чувствительного к изменениям малых (до некоторого предела) интенсивностей. Положение ВВ называется чувствительным положением анализатора.

Установку анализатора на равные освещенности обеих половин поля зрения можно сделать тем точнее, чем меньше угол А₁ОА (рис.2, а).

 

Рис.2. К установке анализатора на равные освещенности обеих половин поля зрения.

 

Для того, чтобы убедиться в этом, рассмотрим рис. 2, б. Для выравнивания освещенностей необходимо поставить анализатор в положение АО ОВ. В действительности же допускается некоторая ошибка, и прибор считается установленным, например, в положении ОВ₁. Ошибка эта характеризуется малым углом . При точной установке отношение интенсивностей  и  света, выходящего из обеих половин анализатора, равно 1. При ошибочной установке имеем:

(2)

Полагая, что  очень мало, можно написать, что

 (3)

Следовательно, ошибка в процентах равна

%, (4)

где  выражено в радианах. При пересчете на градусы найдем, что угловая ошибка (в градусах) будет:

 (5)

Если, например, ошибка в установке  достигает 2%, то при

=1º =0,0025º;

=2º =0,005º;

=8º =0,02º.

Отсюда следует, что при достаточно малом  отсчет должен производиться, по крайней мере, с точностью до сотых долей градуса.

При этом надо иметь в виду, что освещенности полей ослабевают с уменьшением , поэтому приходится пользоваться сильными источниками света. Если же это невозможно или раствор сильно поглощает свет, то  приходится увеличивать даже в ущерб точности. Поэтому в некоторых наиболее точных приборах угол  можно менять.