Устройство сахариметра и методика измерений

Лабораторная работа № 9

Определение концентрации раствора сахара при помощи поляриметра

Цель работы: 1) рассмотреть процесс распространения линейно   поляризованного света в оптически активных веществах;

2) определить концентрацию растворов сахара.

Оборудование:  сахариметр, набор трубок с растворами сахара разной концентрации.

Теоретическая часть

Свет – это электромагнитные волны определенного диапазона длин волн. Электромагнитные волны поперечны: векторы напряженностей электрического  и магнитного  полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются синфазно перпендикулярно вектору скорости  распространения волны (перпендикулярно лучу). Эмпирически установлено, что физиологическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля , который называется в оптике световым вектором.

 Свет, который можно представить как совокупность световых векторов , равновероятно ориентированных по всем направлениям, называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким- либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Свет, в котором вектор  колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется линейно поляризованным.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор , называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации (рис. 1).

Различают свет поляризованный в плоскости, по кругу, по эллипсу или частично поляризованный.

Линейно поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами.

Устройство, позволяющее анализировать свет, вышедший из поляризатора, называется анализатором. Поляризатор и анализаторвзаимозаменяемы. В качестве поляризатора и анализатора могут быть использованы поляроидные пленки, призмы Николя (николи) или другие устройства.

Плоскость, проходящая через поляризатор (анализатор) и в которой колеблется световой вектор , называется плоскостью поляризатора или главным сечением поляризатора (анализатора).

Если на скрещенные поляризатор и анализатор направить естественный свет, то из анализатора выходит доля света, согласно закону Малюса, пропорциональная квадрату косинуса угла между главными сечениями поляризатора и анализатора (см. рис. 1):

,              (1)

где  – интенсивность естественного света; J₀ – интенсивность поляризованного света (, в силу двойного лучепреломления или явления дихроизма), J₁ – интенсивность света, прошедшего анализатор (рис. 1).  Из закона Малюса следует, что если , то , т. е. поляризатор и анализатор скрещены или «поставлены на темноту», а если , то  - поляризатор и анализатор параллельны или «поставлены на свет», таким образом:

, а .

Оптически активными называются вещества, способные поворачивать плоскость поляризации света при прохождении его через такие вещества, как камфора, никотин, сахар, кварц и другие,

А

П

Рис. 1

имеющие асимметричное строение молекул.

Вращение плоскости поляризации было объяснено Френелем. Он предложил вектор  линейно поляризованного света рассматривать как совокупность двух векторов  и  с левым и правым вращением. В обычных средах угловая скорость вращения векторов   и  одинакова, так что суммарный вектор  в любой момент времени лежит в одной и той же плоскости (рис. 2)

 

 

Рис. 2

В оптически активных веществах, благодаря особенности их структуры, угловые скорости вращения векторов  и  становятся разными, и по мере прохождения луча в оптически активной среде, вектор  будет отклоняться от начального положения  на угол

,             (2)

где - удельное вращение раствора, зависящее от природы оптически активного вещества и растворителя, длины волны света и температуры;  - длина хода луча в веществе; - концентрация раствора оптически активного вещества.

Закономерность (2) используется в двух случаях.

1. По известным ,  и  определяют удельное вращение раствора.

(3)

2. По известным , ,  определяют концентрацию

раствора оптически активного вещества          (4)

Между скрещенными поляризатором и анализатором (николями) помещают трубку с раствором оптически активного вещества (сахара). Поле зрения между николями, «поставленными на темноту», просветляется.

 

 

г

Рис. 3

 

 

 

шкала

нониус

г

Рис. 4

Чтобы добиться полного гашения света, нужно анализатор повернуть вокруг луча на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. Когда поле зрения окуляра равномерно затемнено рис. 3в (или рис. 4в) измеряем угол  по шкале 4г (или рис. 4г).

Этот метод позволяет с достаточно большой точностью определять концентрации растворов оптически активных веществ, хорошо растворимых в воде и широко используется в пищевой промышленности, медицине, криминалистике.

 

Устройство сахариметра и методика измерений.

В данной работе используется сахариметр, позволяющий с высокой точностью определять концентрацию сахара, растворенного в воде.

Оптическая схема сахариметра показана на рис. 5.

Рис. 5

В нее входят: 1 – осветительная лампа; 2 – светофильтр; 3 – объектив; 4 – окуляр; 5 – поляризатор; 6 – кварцевая пластина; 7 – кювета с раствором; 8 – анализатор.

Осветительная лампа 1 установлена в главный фокус объектива 3, после которого получают плоскопараллельный пучок света. Светофильтр 2 пропускает свет определенной длины волны. После поляризатора 5 линейно поляризованный свет проходит через кювету с раствором 7, анализатор 8 и окуляр 4. Благодаря кварцевой пластине 6 поле зрения окуляра разделено на три или две части (рис. 3, 4) в зависимости от конструктивных особенностей сахариметра. Четкое изображение поля зрения достигается перемещением окуляра вдоль оптической оси. Поле зрения между поляризатором и анализатором изначально поставленных на «темноту» (рис. 3в или 4в), просветляется (рис. 3а, б или 4а, б). Для получения начального изображения поля зрения (рис. 3в или 4в) необходимо анализатор повернуть вокруг луча на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. Численное значение угла  измеряют по отсчетной шкале (рис. 3г или 4г), механически связанной с анализатором. Так, например, по шкале рис. 3г показаниям соответствует значение угла 3, 6⁰, а по шкале 4г – 11,75⁰. Приборная погрешность шкалы 3г , а шкалы 4г - .