Теоретичні відомості

Визначення концентрації цукру у розчині поляризаційним методом

Лабораторна робота № 4

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитися з будовою іроботою призмового монохроматора УМ-2.

2. Щілину монохроматора освітити джерелом світла з лінійчатим спектром і з відомими довжинами хвиль lспектральних ліній (використати ртутну або неонову лампи).

3. Встановити максимальну яскравість і різкість спектра і відмітити положення спектральних ліній на виході монохроматора по покажчику, фіксуючи поділки барабана n, що відповідають спектральним лініям, підведеним до покажчика.

4. Записати довжини хвиль спектральних ліній, для яких робився цей відлік. Для цього використати таблиці довжин хвиль l для спектральних ліній ртуті або неону (табл. додаються). Дослід повтори­ти кілька разів і отримані результати занести в таблицю 4.3.1.

5. Побудувати градуйовочну криву приладу n = f(l) на міліметровому папері, відкладаючи по осі X поділки барабана, а по осі Y - l відповідних ліній.

6. Перед вхідною щілиною приладу розмістити полум’я спиртівки, у яке ввести досліджувану речовину.

7. Записати, на яких поділках шкали барабана n спостерігаються відповідні спектральні лінії.

Таблиця 4.3.1.

Таблиця 4.3.2.

8. Користуючись градуйованою кривою приладу, визначити довжини хвиль спостережуваних ліній.

9. Зіставити отримані дані з довжинами хвиль за таблицею спектральних ліній і визначити, якому елементу вони належать. Результати спектрального аналізу представити в таблиці 4.3.2.

10. Записати висновки.

Контрольні запитання

1. Дисперсія світла, дисперсія речовини — пояснити.

2. Пояснити на графіку нормальну і аномальну дисперсію.

3. Які спектри називаються спектрами поглинання і спектрами випромінювання?

4. Які бувають види спектрів і яка їх природа?

5. Що розуміють під спектральним аналізом речовини?

6. Використання спектрального аналізу

в медико-біологічних дослідженнях.

Мета роботи: поглибити знання студентів про явище поляризації, навчити їх визначати концентрацію цукру у розчині поляризаційним методом.

Обладнання: поляриметр, поляриметричні трубки, водні розчини цукру різної концентрації.

Видиме світло являє собою електромагнітні хвиля, які є поперечними, оскільки напрямки коливання векторів напруженості електричного і магнітного полів перпендикулярні до швидкості поширення світла і один до одного та постійно змінюють своє положення у просторі. Таке випромінювання називається природним.

Джерелами природного світла є Сонце, лампи розжарювання, випромінювання нагрітих тіл. На рис.4.4.1. показані проекції векторів напруженості електричного поля в природному світлі на площину, перпендикулярну променю r(a), на дві перпендикулярні площини А та В (б) та умовне позначення природного світла (в).

Рис. 4.4.1. Умовне позначення природного світла.

Рис.4.4.2. Умовне позначення поляризованого світла.

Випромінювання, в якому коливання вектора відбуваються лише в одному напрямку, називаються поляризованими (наприклад, випромінювання електрона в поодиночному акті). Площина, в якій розташовані вектор та вектор r, що визначає напрямок поширення випромінювання, називається площиною поляризації. На рис.4.4.2 наведені умовні позначення повністю поляризованого світла в різних площинах (зліва, у центрі) та частково поляризованого світла (справа).

Співвідношення символічних позначень ↕ та ○ характеризує ступінь поляри­зації. Поляризоване світ­ло можна отримати з природного за допомогою приладів, які називаються поляризаторами. Світло може поляризуватися при відбиванні, заломленні та розсіюванні. Око людини не відрізняє поляризованого світла від природного, тому для дослідження поляризації світла використовують поляризаційні прилади — поляриметри.

Поляризація світла при відбиванні та заломленні

Рис.4.4.3. Поляризація світла при відбиванні.

Рис. 4.4.4. Подвійне променезалом­лення в анізотропному кристалі.

Рис.4.4.5. Поляризація світла за допомогою призми Ніколя.

Якщо природне світло падає на відбиваючу поверхню діелектрика (скла, слюди) під кутом a, який задовольняє умові Брю­стера tg a = n, то відбита хвиля виявляється плоскополяри­зованою, кут a називають кутом повної поляризації, заломлений промінь є частково поляризованим у площині падіння (рис.4.4.3 зліва).Недоліком поляризації при відбиванні є мала частка відбитого від діелектрика випромінювання (3-5 %). На практиці використовують багатократне відбивання від стопи пластинок (рис.4.4.3 справа).

Поляризація при подвійному променезаломленні в кристалах

Встановлено, що поляризація відбувається при проходженні природного світла через деякі одновісні кристали (ісландський шпат, кварц, турмалін, алмаз) і двовісні (слюда, арагоніт, топаз). Поляризація світла в таких кристалах супровод­жується подвійним променезаломлен­ням — роздвоєнням променя при переході в кристалічне середовище на два окремі промені, які поширюються в кристалі в різних напрямках, тобто мають різні коефіціє­нти заломлення, а, отже, і різні швидкості поширення (рис.4.4.4). Для незвичайного променя е не викону­ються закони заломлення світла, а для звичайного o виконуються закони заломлення.

Один з найбільш досконалих приладів для одержання поляризованого світла — це призма Ніколя (рис. 4.4.5). З кристала ісландського шпату вирізають дві призми, а потім склеюють їх канадським бальзамом, показник заломлення n_к.б якого має значення, проміжне між значеннями показників заломлення ісландського шпату для звичайного n_о та незвичайного n_е променів:

n_е< n_к.б< n_o (n_e = 1,186, n_к.б = 1,556, n_o = 1,658).

Кути в призмі підібрані таким чином, щоб звичайний промінь на поверхні канадського бальзаму зазнав повне внутрішнє відбиття і відхилився вбік.

Незвичайний промінь проходить прошарок канад­ського бальзаму і виходить з кристала (для нього не виконується умова повного внутрішнього відбивання, так як n_к.б> n_e). Якщо на шляху світлового променя розмістити дві призми Ніколя, щоб площини головних перерізів обох призм були паралельними (рис.4.4.6), то поляризоване світло з ніколя Р пройде крізь ніколь А. Якщо площини головних перерізів ніколей Р і А розташувати взаємно перпендикулярно, поляризоване світло ніколя Р не пройде крізь ніколь А (рис.4.4.6).

Проміжне положення між паралельним і взаємно перпендикулярним розташуванням площин головних перерізів буде характеризуватися зміною інтенсивності світла, яке пройшло через ніколь А: від найяскравішого при куті між площинами ніколей, рівному 0°, до найслабшого при 90° (закон Малюса). Перший ніколь Р називається поляризатором, другий ніколь А — аналізатором, прилад — поляриметр (сахариметр). Якщо порівняти амплітуду електричного вектора Е поляризованого світла і амплітуду електричного вектора світлової хвилі, яка пройшла через аналізатор, то можна встановити її зменшення (рис.4.4.7):

Рис.4.4.6. Хід променів через поляризатор П і аналізатор А.

Рис.4.4.7. Зміна амплітуди Е світла при проходженні через аналізатор.

Е = Е₀ ∙ cosa. (4.4.1)

Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди електричного вектора Е, то:

І = І₀ ∙ cos²a. (закон Малюса), (4.4.2)

де І₀ — інтенсивність світла, падаючого на аналізатор, І – інтенсивність світла на виході із аналізатора.

Обертання площини поляризації оптично
активними речовинами

Деякі речовини — кварц, розчин цукрів, вуглеводи, амінокислоти — мають властивість повертати площину поляризації поляризованого світла, яке проходить через них. Ці речовини називаються оптично активними. Розрізняють праве обертання (+), коли речовина обертає площину поляризації за годинниковою стрілкою, і ліве (-) – при обертанні площини поляризації проти годинникової стрілки.

Поляриметрія — фізичний метод дослідження, оснований на обертанні площини поляризації оптично активними речовинами.

Поляриметричний метод визначення концентрації оптично активних речовин широко використовується в усіх лабораторіях, де досліджуються оптично активні речовини.

Зокрема, цей метод широко використовується в медицині для визначення концентрації цукру в сечі. Величина кута обертання j площини поляризації, виражена в дугових градусах, залежить не тільки від природи речовини, але і від ряду умов:

1) довжини шляху, пройденого поляризованим світлом в даній речовині;

2) концентрації оптично активної речовини;

3) довжини хвилі падаючого світла;

4) природи розчинника. У випадку розчину можна записати:

j = a ∙ с ∙ l, (4.4.3)

де j — кут повороту площини поляризації, град; l — довжина ходу променя у розчині, дм; с — концентрація речовини у розчині, %; a — питоме обертання речовини (чисельно рівне куту повороту площини поляризації шаром розчину одиничної товщини, що містить 1 г речовини на 100 см³ розчину).

Величина a залежить від довжини хвилі (закон Біо), від роду речовини, від вибора розчинника:

~ . (4.4.4)

На практиці в медицині для швидкого визначення концентрації цукру в розчині використовують метод порівняння, а саме: невідому концентрацію визначають за формулою:

С_х = , (4.4.5)

де С_х — невідома концентрація розчину, %; С — відома концентрація розчину, %; j_х — кут обертання площини поляризації розчину невідомої концентрації, град.; j — кут обертання площини поляризації розчину відомої концентрації, град.