旋光性溶液濃度的測量

1、旋光性溶液濃度的測量,龍長才,一、開篇設(shè)問,1、什么是偏振光？2、什么是旋光現(xiàn)象？3、如何觀測和檢測旋光？4、旋光效應(yīng)有何應(yīng)用？,偏振,電磁波、聲波是橫波，它們的（電、磁、機械）振動方向與傳播方向垂直，光波是一種電磁波，也是橫波。,單一的橫波其振動有一個明確的方向，這種現(xiàn)象稱為偏振，這個方向稱為偏振方向。,,傳播方向,,,傳播方向,振動方向,振動方向,偏振光,一束自然光是由多個獨立的光波構(gòu)成，它們的振動方向各不相同,偏振光,在一束

2、自然光的傳播路徑上加上起偏器后，只有那些振動方向與起偏方向相同的光能很好地通過。通過起偏器后的光有單一的振動方向，稱為偏振光。,,,傳播方向,自然光,振動方向,,,,,,,,,,,,,,,振動方向,,,,,偏振光,起偏器,二、背景介紹,1911年，法國物理學(xué)家阿喇果（D. F. J Arago）發(fā)現(xiàn)，當偏振光通過石英晶體時，它的振動面會繞光的傳播方向轉(zhuǎn)過一定的角度。隨后（1815年），法國物理學(xué)家畢奧（Jean-Baptiste Bio

3、t ）在酒石酸中發(fā)現(xiàn)相同的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫旋光效應(yīng)。 旋光效應(yīng)引起人們極大興趣，近200年來，圍繞產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的原因、機理，科學(xué)家們的探索，有力地推動了對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識和有機化學(xué)的發(fā)展，與此同時，旋光現(xiàn)象也在化學(xué)、化工、物理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有了大量應(yīng)用。 本實驗就是要應(yīng)用旋光效應(yīng)，測旋光物質(zhì)的濃度。,三、實驗原理,偏振光通過旋光物質(zhì)后，偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn),,,,,,振動方向,振動方向,振動方向,二、實驗原理,振面旋轉(zhuǎn)的角度Φ

4、與旋光性物質(zhì)的溫度t、濃度c，以及光在該物質(zhì)中的行程?有關(guān)? 。,,,,,,振動方向,振動方向,振動方向,,,,,,,,,,,,,,,,Φ,,,,,?,Φ =α?c,α稱為旋光率，與溫度有關(guān),透明旋光物質(zhì),光在旋光物質(zhì)中的行程,振動面旋轉(zhuǎn)的角度,三、實驗原理,振面旋轉(zhuǎn)的角度Φ與旋光性物質(zhì)的溫度t、濃度c，以及光在該物質(zhì)中的行程?有關(guān)? 。,,,,,,,,由 Φ =α?c,如果測出偏振光在濃度c已知的溶液行走? 的距離偏振方旋轉(zhuǎn)的角度Φ，

5、就可以算出該種物質(zhì)的旋光率α。,如果某種旋光物質(zhì)的旋光率α已知，測出偏振光在物質(zhì)中行走? 的距離偏振方旋轉(zhuǎn)的角度Φ，就可以算出該種物質(zhì)的濃度c。,測量系統(tǒng),,,,,,,準置系統(tǒng)：將來自光源的發(fā)散光準直為平行光，以保證 有足夠的光能 和穩(wěn)定的光束通過后續(xù)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)參見《平行光管實驗》,起偏器：將準直的非偏振光變成偏振光 。,旋光物質(zhì)：長度已知的透明旋光物質(zhì)樣本。,檢偏器：其實是另一個檢偏器，當偏振光的偏振方向與其起偏方向垂直時，完全沒

6、有光通過，而平行時有最大的光能通過。因此旋轉(zhuǎn)檢偏器，從輸出光的亮度的大小可判斷透過旋光物質(zhì)后，光的偏振方向。,偏振方向判斷與角度讀出系統(tǒng)：考慮視覺特征，采用半蔭片技術(shù)檢測偏振方向，采用游標技術(shù)讀取十分之一度以下角度，采用對稱雙游標，以消除角度讀數(shù)盤偏心誤差,半蔭片技術(shù),,,,,,,偏振方向判斷可以通過觀察輸出光亮度隨檢偏器旋轉(zhuǎn)是否達到最亮或最暗來實現(xiàn)，最亮?xí)r輸出光的偏振方向與檢偏器起騙方向相同，最暗時輸出光的偏振方向與檢偏器起偏方向垂直

7、。,但是人的視覺對最亮或最暗的判斷并不很準確，間斷地通過最亮或最暗來判斷偏振方向有很大誤差。相比之下，人的視覺對明暗對比卻比較敏感。半蔭片技術(shù)就是利用人的這一視覺特點，,半蔭片技術(shù)就是利用人的這一視覺特點，將視場分成有明確界線的不同區(qū)域，通過光學(xué)技術(shù)將最亮或最暗的判斷轉(zhuǎn)化為在視場中是否存在分界線的判斷。,,,最亮 偏振方向與檢偏器起偏方向平行,最暗 偏振方向與檢偏器起偏方向垂直,有明顯的分界線 偏振方向與起偏器起偏方向既不垂直，也不平

8、行,沒有分界線 偏振方向與起偏器起偏方向垂直，或平行,半蔭片技術(shù),,,,,,,由于視覺在暗視場中對明暗分界線最敏感，在視場有最小亮度時觀察是否有分界線來判斷偏振方向成為首選。,在亮視場中觀察,對不同亮度分界線不敏感,在暗視場中觀察,,,對不同亮度分界線更敏感,四、實驗儀器,,,,,,,偏振方向判斷與角度讀出系統(tǒng)：考慮視覺特征，采用半蔭片技術(shù)檢測偏振方向，采用游標技術(shù)讀取十分之一度以下角度，采用對稱雙游標，以消除角度讀數(shù)盤偏心誤差,四、

9、實驗儀器,,,,,,,1.光源 2.會聚透鏡 3.濾光片 4.偏光片 5.中央石英片和兩旁玻璃補償片6.測試管 7.檢偏鏡 8.望遠鏡物鏡 9.刻度盤 10.望遠鏡目鏡,四、實驗儀器,,,,,,,,,有游標的刻度盤,測試管,望遠鏡目鏡,刻度盤轉(zhuǎn)動手輪,,,五、實驗內(nèi)容,,,,,,,1、利用濃度已知的糖溶液，測糖的旋光率α。,2、利用糖的濃度與偏振光旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，測糖的濃度c 。,操作步驟,,,,,,,1、旋光儀接220v交流電源，開

10、啟后預(yù)熱5分鐘，待納光燈正常發(fā)光。2、校驗零點位置。在沒有放測試標本試管時，調(diào)節(jié)望遠鏡調(diào)焦手輪，使三分視場清晰。調(diào)節(jié)刻度盤轉(zhuǎn)動手輪，使視場亮度一致（為全暗視場）。從刻度盤的兩個游標上讀數(shù)，將讀數(shù)相加除以2作為測量的結(jié)果。反復(fù)測量3次取平均質(zhì)，確定零位誤差數(shù)值，對以后的測量值進行校正。3、放入濃度已知的糖溶液試管，測定糖的旋光率，反復(fù)測6次。4、放入濃度未知的糖溶液試管，測量6組數(shù)據(jù)，計算溶液的濃度，估算不確定度，寫出結(jié)果表達。,數(shù)

11、據(jù)處理,,,,,,,1．數(shù)據(jù),無試管Φ0,已知 Φ1,未知Φ2,次數(shù),,=0.21 度,=16.83 度,=18.95度,,,,,,數(shù)據(jù)處理,,,,,,,2．數(shù)據(jù)處理,,,,,,,六、設(shè)計案例,,,,,,,偏振方向判斷與角度讀出系統(tǒng)：考慮視覺特征，采用半蔭片技術(shù)檢測偏振方向，采用游標技術(shù)讀取十分之一度以下角度，采用對稱雙游標，以消除角度讀數(shù)盤偏心誤差,七、最新進展,,,,,,,機理：旋光性介質(zhì)具有角動量，光也具有角動量。當光通

12、 過該透明介質(zhì)時，可以得到部分介質(zhì)的角動量而使光的轉(zhuǎn)動動能增加。 在有機物之中的旋光效應(yīng)可以理解為，具有手性碳原子的化合物其角動量才可以使光的轉(zhuǎn)動動能增加，使其光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。,七、最新進展,,,,,,,應(yīng)用：用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)院、科研單位，用來測定含有旋光性的有機物質(zhì)，如糖溶液、松節(jié)油、樟腦等幾千種活性物質(zhì)，確定它們的比重、純度、濃度與含量。例如：用于食品工業(yè)：檢驗含糖量和測定食品調(diào)味品之淀粉含量；用于臨床及醫(yī)院：測定尿中

13、含糖量及蛋白質(zhì)；用于糖廠：檢驗生產(chǎn)過程中糖溶液濃度；用于藥物香料工業(yè)：測定藥物香料油之旋光性。 信息光學(xué)中運用旋光性實現(xiàn)光信息的可控處理，例如運用晶體旋光效應(yīng)實現(xiàn)近場光學(xué)空間濾波,八、相關(guān)文獻,,,,,,,《大學(xué)物理實驗》熊永紅 等主編 華中科技大學(xué)出版社2004年,《大學(xué)物理實驗》熊永紅 等主編 華中科技大學(xué)出版社2005年,《大學(xué)物理實驗》熊永紅 等主編 華中科技大學(xué)出版社2006年,《大學(xué)物理實驗》熊永紅 等主編 科