Лабораторная работа 16 по Физике. Лабораторная работа 16. Изучение распространения света в растворах оптически активных веществ. Цель работы изучение вращения плоскости поляризации света при
 Скачать 321.69 Kb.
|
|
Лабораторная работа 16. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В РАСТВОРАХ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ. Цель работы изучение вращения плоскости поляризации света при прохождении через раствор оптически активного вещества определение удельного вращения сахара определение процентного содержания сахара в растворе. Общие сведения. При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества, называемые оптически активными ( например, кварц) наблюдается вращение плоскости колебаний вектора напряженности электрического поля E . Это явление получило название вращения плоскости поляризации (рисунок 1). Рис. 1 – Прохождение плоско поляризованного света через оптически активное вещество Наблюдения оптической активности в кварце показали, что существует две модификации кварца правовращающий, или положительный, дающий поворот l l l φ электрического вектора почасовой стрелке, и левовращающий, или отрицательный (вращение против часовой стрелки если смотреть навстречу лучу, выходящему из кристалла. При этом величина вращения в обоих случаях при прочих равных условиях одинакова. По-видимому, и другие оптически активные кристаллы существуют в двух модификациях, хотя не во всех случаях их удалось обнаружить. Вращение плоскости поляризации наблюдается также ив некристаллических телах. К ним принадлежат, например, скипидары, метиловые эфиры жирных кислот, растворы сахара, камфары и т.д. Это означает, что данное явление не связано с анизотропией в противоположность двойному лучепреломлению. В настоящее время известны тысячи активных веществ, обладающих весьма различной вращающей способностью. Если оптически активное вещество представляет собой раствор, то угол поворота φ пропорционален толщине слоя активного вещества l и его концентрации С φ α Cl = (1) где - величина, называемая удельным вращением. Удельное вращение зависит от природы вещества, его температуры T и длины волны λ , проходящего через него света. Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковой скоростью. Линейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. E. На рисунке 2 обозначены и световые векторы левой и правой составляющих, P - направление суммарного вектора E . Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например, E 1 , будет отставать в своем вращении от вектора E 2 (рис б. Результирующий вектор E будет поворачиваться в сторону более "быстрого" вектора E 2 и займет положение Q, повернувшись на угол Рисунок 2 - вращение плоскости поляризации В случае раствора, зная удельное вращение данного вещества и длину l можно, измерив угол поворота, определить по формуле (1) концентрацию C раствора. Простейшая установка для измерения угла имеет вид рис .3): Рис. Установка для измерения угла поворота плоскости поляризации света источник света, П – поляризатор, А – анализатора) б ) S П КА ЭК кювета с раствором оптически активного вещества Э – экран. В настоящей работе используется с ахариме тр СУ -3 , внешний вид которого представлен на рис . 4. Рис В состав сахариметра входят (1) -- измерительный узел- осветительный узел. Эти узлы соединены между собой тра версой (3 ), на которой укреплена камера) для поляриметрических кювет (трубок. С лицевой стороны измерительной головки прибора имеются зрительная труба) и лупа (6 ) в оправе для отсчета показаний по шкале. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка) кремальерной передачи для компенсации поворота плоскости поляризация. На передней части основания) находится тумблер для включения осветительной лампы . С тыльной стороны основания имеются вилка разъема для подключения электролампы к трансформатору и вилка со шнуром для подключения трансформатора все ть. Если кювета отсутствует, а угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равен, наблюдается полное гашение света . В присутствии оптически активного раствора поле зрения просветляется, т.к . вектор E поворачивается на угол Вращая анализатор до полного затемнения , можно измерить угол Определение посредством двух установок нате мн от у во тс утс твие и при наличии оптически активного вещества довольно неточно . Точность измерений повышается при использовании по лутене вых устройств, в которых установка производится не на темноту, а на равное освещение двух половин поля Оптическая схема сахарим е т р аи м ее твид рис Рис осветительный узел кювета си с следуемым раствором- окуляр зрительной трубы лупа для от сч тапок аза ни й шкалы кварцевый компенсатор Р рукоятка для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Световой поток от лампочки накаливания) проходит через светофильтр) или матовое стекло, конденсор и полутене вую призму-поляриза тор , которая преобразует его в поляризованный поток света и разделяет над ве половины линией раздела. Поляризатор устанавливают таким образом, чтобы плоскости поляризации обеих половин светового потока составляли одинаковые углы с плоскостью поляризации анализатора. Если кювета с раствором отсутствует, а толщина право - иле вовра щающих пластин кварцевого компенсатора одинакова, в окуляре) зрительной трубы наблюдаются две равно освещенные половины поля , разделенные тонкой линией . Оптически активный раствор) нарушает равенство ос вещенн остей . Равенство освещенностей восстанавливается компенсатором с помощью рукоятки Р, которая перемещает подвижный кварцевый клин) и связанную с ним шкалу. Смещение кварцевого клина пропорционально углу поворота плоскости поляризации проходящего света . Шкала сахариметра , наблюдаемая через лупу) градуирована в градусах Международной сахарной шкалы соответствует 34, 62 угловым. Сахарим е т р показывает, когда при 20 C в 2 0 0 - миллиметровой кювете находится водный раствор, содержащий в 100 см 26 г химически чистой сухой сахарозы процентное содержание сахара в этом случае. В сахариме тре угол поворот плоскости поляризации определяется по выравниванию освещенности двух частей поля зрения в зрительной трубе. Двойное поле получается в результате специальной обработки поляризационной призмы. то обе половинки поля зрения освещены равномерно (фотометрическое равновесие, рис. 7) . Отсчеты показаний шкалы при помощи нониуса показаны на рисунке Кювету с раствором помещают в камеру прибора. Это вызывает изменение однородности освещения обеих половин поля зрения. Вращением головки кремальерной передачи уравнивают Рис. 6 интенсивность освещения обеих половин поля зрения и производят отсчет показаний с точностью до ±0,1° . Заре зульта т измерения принимают среднеарифметическое значение трех измерений. Отсчет проводят по нониусу, отмечая целые числа по шкале, ад есятые доли - по совпадающему делению нониуса сошка лой. Задание для подготовки к работе 1. Занести в протокол эксперимента таблицы по форме 1 и 2. Указания по проведению эксперимента Ознакомиться с процедурой отсчета угла поворота плоскости поляризации света при его прохождении через кювету с раствором по шкале с ахариме тра. См. пп . 1 – 4 указаний ирис описания работы . 1 . Вращая оправы окуляра) зрительной трубы илу пышка лы, установить максимальную резкость изображения таким образом, чтобы четко были видны вертикальная линия, разделяющая поле зрения на две половины штрихи и цифры шкалы и нониуса. Вложить в камеру кювету свод ой, установить однородность поля зрения , вращая рукоятку Р. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. Вложить в камеру поляриметрическую кювету с раствором известного процентного содержания сахара. Вращая рукоятку Р , добиться равномерной ос вещённости наблюдаемого во к уляр поля зрения . Прима лых поворотах рукоятки в одну и другую сторону должна наблюдаться смена освещенности обеих половинок поля зрения Рис. Произвести отсчет по шкале при помощи нониуса сто чностью до 0,1 S . Пересчитать градусы Международной сахарной шкалы в угловые градусы. Результаты расчетов занести в таблицу. Наблюдения поп пи выполнить потри раза для двух растворов с известными значениями. Результаты расчетов занести в таблицу. Наблюдения поп пи выполнить для раствора с неизвестным процентным содержанием. Результаты измерений занести в таблицу. Таблица. Определение удельного вращения сахара кюветы Измер . % p l, дм φ , дел S φ , град. φ α l град дм % φ α θ θ l град дм % 1 1 2 3 … … Таблица. Определение неизвестного- го содержания сахара в растворе кюветы № Измер . l, дм φ , дел φ , град. φ , % α x p l = α φ θ θ θ α φ x p x p = + 3 1 2 3 Указания по обработке результатов . Заполнить таблицу и по выборке объема для первого и второго раствора найти удельное вращение сахара α α α = с 95% P = . См. приложение к пособию. 2 . Заполнить таблицу, используя при расчетах значения и α θ , определенные в п. По выборке объема найти процентное содержание сахара в растворе x x x p p p = с 95% P = . См. приложение к пособию. Контрольные вопросы 1. Какие вещества называют оптически активными 2. Какой свет называют плоско поляризованным 3. Как отличить естественный свет от плоско поляризованного и отсвета, поляризованного по кругу 4. Как определяется концентрация раствора вещества поляриметрическим методом 5. Что такое сахарный градус 1 S ” ? 6 . Объяснить принцип действия кварцевого компенсатора. |