Растворе поляриметром

Мотивационная характеристика темы. Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными. Это явление широко используется в медицине не только для экспрессного определения содержания сахара в растворе — метод сахариметрии, но и в биофизике для исследования структурных превращений в молекулярных системах – метод поляриметрии.

Цель лабораторной работы: изучение принципа работы поляриметров, определение удельного вращения плоскости поляризации поляризованного света растворами сахара и глюкозы, определение концентрации сахара в растворе, исследование зависимости удельного вращения от длины волны.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.Чем отличается естественный свет от плоскополяризованного? 2.Какова скорость электромагнитных волн в вакууме? В любой другой среде? 4. Могут ли продольные волны быть плоскополяризованными? 6.Какой из векторов—Е или Н—обладает фотохимическим действием?	1.Определять угол вращения плоскости поляризации оптически активным раствором. 2.Определять удельное вращение плоскости поляризации. 3.Определять концентрацию оптически активных веществ в растворе поляриметрическим методом.

Литература:

1. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М.,1999, Гл.25.

2.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М.,1987, Гл.25.

3.И.А.Эссаулова и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., 1987, Лб.37.

Контрольные вопросы для определения

исходного уровня знаний

1.Какова скорость электромагнитных волн в вакууме? в любой другой среде?

2.Какими параметрами характеризуется электромагнитная волна?

3.Каков механизм генерации светового излучения веществом?

4.Можно ли определить характер поляризации света с помощью органов зрения?

Информационный блок

Свет — это электромагнитные волны. Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряженности Е электрического поля называется световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходят во всевозможных направлениях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяют свое положение в пространстве.

Если же направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебаний вектора Е занимает постоянное положение в пространстве (Рис.1). Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость, в которой происходят колебания вектора Е, называется плоскостью поляризации.

На рис.2 схематически показаны направления колебания вектора Е для линейно поляризованной (а) и естественной (б) световой волны, распространяющейся перпендикулярно плоскости чертежа.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он и обнаруживается. Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризатора (призма Николя, поляроид и др.). Он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоскополяризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором, указывая этим, что он используется не для получения, а для анализа поляризованного света.

Пусть колебания вектора Е поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол j с главной плоскостью анализатора. Амплитуду Е этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е₁ — совпадающую с главной плоскостью анализатора и Е ₂ — перпендикулярную ей (рис.3):

Е₁=Еcosj, Е₂=Еsinj.

Первая составляющая колебаний пройдет через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды; следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна Е² cos² j (закон Малюса ):

I=I₀ сos² j,

где I₀ — интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; j — угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора.

Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны, j = 0, p, т. е. cosj=±1, то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещенным.

Если т. е. cosj = 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным. При прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относят кристаллические тела (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

В растворах угол a поворота плоскости поляризации пропорционален пути L луча в растворе и концентрации с раствора:

a=[a₀]сL,

где [a₀] — удельное вращение. Оно обратно пропорционально квадрату длины волны, зависит от природы вещества и температуры и численно равно увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 10 см при концентрации вещества 1г на 100 см³ раствора, температуре 20°С и длине волны света l= 589 нм.

Удельное вращение сахара равно 66,5 гpaд•cм^з/(г•дм) = 0,665 град • м²/ кг.

При пропускании поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскости поляризации волн различной длины будут поворачиваться на разные углы. В зависимости от положения анализатора через него проходят лучи различной окраски. Это явление называется вращательной дисперсией.

Если между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить полностью затемненное поле зрения, необходимо анализатор повернуть на угол a, поворота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы, можно определить концентрацию раствора:

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко используется в медицине и биологии (например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака), в клинической практике (например, для количественного определения, содержания сахара в моче). Поляриметр, применяемый для этой цели, называется сахариметром.

Описание установки

В работе используется медицинский сахариметр, внешний вид которого изображен на рис. 3. (Оптическая схема прибора приведена на рис.4).

Источником света в сахариметре является лампа накаливания Л. Свет от лампы падает на фильтр Ф и объектив О. Полученный монохроматический свет проходит через поляризатор П, кювету Т с раствором и анализатором А. В качестве поляризатора и анализатора в приборе используются поляроиды. После анализатора свет проходит через объектив Об и окуляр Ок зрительной трубы сахариметра, которая служит для визуального наблюдения поля зрения.

Вследствие адаптации глаза визуально трудно оценивать абсолютную освещенность. В то же время легко сравнивать освещенность различных частей поля зрения. Для разделения поля зрения на части в сахариметре непосредственно за поляризатором расположена тонкая кварцевая пластинка К, через которую проходит средняя часть пучка поляризованного света, вышедшего из поляризатора.

В результате введения кварцевой пластинки поле зрения сахариметра оказывается разделенным на три части. Средняя часть освещается светом, прошедшим через поляризатор, кварцевую пластинку и анализатор, а две крайние части поля зрения — светом, прошедшим через поляризатор и анализатор. Так как кварц является оптически активным веществом, то после прохождения поляризованного света через пластинку его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол (рис.5). На рисунке стрелками показана плоскость колебаний вектора Е в трех частях поля зрения.

Плоскость световых колебаний в средней части поля зрения составляет небольшой угол с направлением световых колебаний в боковых участках. Путем поворота поляроида-анализатора можно получить одинаковую яркость всех трех полей.

Если установить анализатор на равную освещенность всех частей поля зрения, а затем поместить между поляризатором и анализатором трубку с раствором сахара, то равенство яркостей средней и крайней частей поля зрения нарушится. Это происходит вследствие того, что во всех частях поля зрения плоскость колебания светового вектора повернется на один и тот же угол a. Для восстановления равенства освещенностей необходимо повернуть анализатор на этот же угол a, равный углу поворота плоскости поляризации света при прохождении им раствора сахара.

В медицинских сахариметрах отсчет угла поворота анализатора в градусах непосредственно дает значение концентрации раствора глюкозы в граммах на 100 см³ (%). Это достигается соответствующим подбором длины трубки L (для глюкозы L =1,89 дм).

Учебные задачи

Приборы и принадлежности: поляриметр, кюветы с растворами сахара и глюкозы, набор светофильтров.

Задание 1 Определение удельного вращения сахара и глюкозы.

1.Включите осветитель сахариметра в сеть.

2.Перемещая муфту окуляра зрительной трубы 2 (Рис.3), установите окуляр на ясное видение разделяющих линий тройного поля зрения.

3.Вращая фрикцион 3, добейтесь равномерного затемнения трех частей поля зрения. При этом шторка 4 на соединительной трубке прибора должна быть закрыта.

4.Снимите отсчет п₀ по левому нониусу прибора. Измерение повторите три раза и найдите среднее значение áп₀ñ.

5.Поместите трубку с раствором сахара известной концентрации С_i в сахариметр.

6.Вращая фрикцион, снова добейтесь равномерного затемнения трех частей поля зрения. Снимите отсчет п.

7.Измерения повторите три раза и найдите среднее значение áпñ.

8.Определите угол вращения плоскости поляризации:

a =ánñ - án₀ñ.

9.Определите удельное вращение раствора сахара:

[a₀] = a/(LC_i).

10.Поместив в сахариметр трубку с раствором глюкозы известной концентрации С, произведите измерения и вычисления аналогичные пунктам 6 – 9.

11.Результаты измерений и вычислений занесите в табл.1.

Таблица 1

Вещество	án0ñ	С, %	n1	n2	n3	ánñ	a, град	[a0], град м ^2/ 'кг '
Сахар
Глюкоза			<•

Задание 2. Определение концентрации раствора сахара.

1.Поместите в сахариметр кювету с раствором сахара неизвестной концентрации и, повторив операции 6 - 8 задания 1, определите угол вращения плоскости поляризации для этого раствора a_X

2.Вычислите концентрацию Сх неизвестного раствора сахара:

С_X=a_X/([a₀] L)

3.Данные измерений и вычислений занесите в табл.2.

Таблица 2.

n1	n2	n3	ánñ	aX, град	[a0], град м ^2/ 'кг	СX, %

Задание 3. Исследование зависимости удельного вращения глюкозы от длины волны/

1.Вставьте в сахариметр светофильтр, соответствующий длины волны.

2.Вставьте кювету с раствором глюкозы концентрацией С₂ и определите угол вращения a плоскости поляризации.

3.Вычислите удельное вращение [a₀].

4.Не меняя кюветы, проделайте аналогичные измерения и вычисления с другими светофильтрами.

5.Данные измерений и вычислений занесите в табл.3.

6.Постройте график зависимости удельного вращения плоскости поляризации глюкозы от длины волны [a₀]=f(l).

Таблица 3

l, нм	n1	n2	n3	ánñ	l, град.	[a0], град м ^2/ 'кг

Сделайте вывод в котором отметьте тенденции зависимостей угла поворота плоскости поляризации оптически активными веществами от концентрации и длины волны.

Вопросы для контроля результатов усвоения

1.Что такое естественный и поляризованный свет?

2.Укажите способы получения поляризованного света.

3.В чем заключается явление двойного лучепреломления?

4.Изобразите ход лучей в призме Николя.

5.Сформулируйте закон Малюса.

6.Какие вещества называются оптически активными?

7.Изобразите оптическую схему поляриметра.

8.Объясните назначение основных элементов поляриметра и принцип его действия.

9.С какой целью применяются поляриметры в медицине?

Дата добавления: 2015-07-12