Определение концентраций водных растворов сахара по вращению плоскости поляризации.

 

 

Вопросы теории. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора - вектора напряженности Е электрического поля. По теории Максвелла световые волны - поперечные: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атоме. Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного светового вектора Е.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и Н также) называется естественным. Свет, в котором колебания светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Если в результате внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е, то это частично поляризованный свет. Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным. Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Величина Р= I_max. - I_min./ I_max. + I_min (1)

 

называется степенью поляризации, где I_max. и I_min - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного

света, пропускаемого анализатором при его вращении вокруг направления распространения света. Для естественного света I_max. = I_min и Р = 0, для плоскополяризованного I_min = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы (например кристаллы), пропускающие колебания определенного направления. Широко используется в качестве поляризатора природный кристалл турмалин.

Если направить естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО', и вращать кристалл Т₁ вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света наблюдать не будем. Но если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т₂ и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла a между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

I=I₀ cos ²a (2)

 

где I₀ и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Пластинка Т_1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором (рис.1).

 

T₁ T₂

Е a

I_ест. I_{0 a} I

 

 

Рис. 1.

 

Некоторые вещества при прохождении плоскополяризованного света обладают способностью вращать плоскость поляризации на определенный угол. Такие вещества называются о п т и ч е с к и а к т и в н ы м и. К ним относятся ряд твердых тел - кварц, киноварь, сахар и др., многие жидкости, растворы ряда веществ - скипидар, водный раствор сахара, винная кислота и т.д.

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний проходящего через них света вправо, т.е. по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, называются правовращающими, влево - левовращающими. Например, сахар тростниковый поворачивает плоскость колебаний вправо, а сахар свекловичный влево.

Угол поворота плоскости колебаний зависит не только от вещества, но и от длины волны падающего света. Это явление называется вращательной дисперсией. Если через оптически активное вещество проходит пучок белого света, то он разлагается в спектр. Свойство вращения плоскости колебаний оптически активными веществами объясняется особенностями их структуры: наличием в них анизотропных молекул, не имеющих ни центра, ни плоскости симметрии, а в кристаллах - еще и расположением молекул. Известно, что если в молекуле имеется асимметричный атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или радикалами, то вещество является оптически активным.

Для однородных оптически активных веществ величина угла поворота плоскости колебаний прямо пропорциональна толщине слоя (экспериментально установленный закон). Для кристаллов

j = [a] ^. L (3)

 

где [a] - постоянная вращения (удельное вращение) для данного вещества;

L - толщина слоя прохождения светового луча.

Теория метода.

Для растворов оптически активных веществ величина угла поворота плоскости колебаний прямо пропорциональна толщине слоя L раствора и концентрации С растворенного вещества, т.е.

j = [a] ^. L^. С (4)

 

где L - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе (длина кюветы) в м;

С - концентрация в кг/ м³;

[a] - удельное вращение (численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем измеряемого оптически активного вещества единичной толщины и единичной концентрации для длины волны 589 нм и при комнатной температуре 20⁰ С). В общем случае удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

Приборы, служащие для определения угла поворота плоскости колебаний оптически активными средами, называются поляриметрами. Поляриметры, применяемые для определения концентрации сахара в растворах, называются сахариметрами. Метод определения концентраций оптически активных веществ по углу поворота плоскости колебаний широко применяется в лабораториях химической, нефтяной и пищевой промышленности, в медицине и др.

В данной работе используется круговой полутеневой поляриметр (модель СМ - 3).