Изучение естественной оптической активности: Методические указания к лабораторной работе по физике

ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

Хабаровск 2002

УДК 537.2: 537.3 (076.3) Изучение естественной оптической активности: Методические указания к лабораторной работе № 53а по физике для студентов 2-го курса всех специальностей / Сост. А. В. Кирюшин. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – 7 c. Методические указания составлены на кафедре «Физика». Содержат описание механизма естественной оптической активности, измерительной установки и метода измерения концентрации сахара в водном растворе. Объем выполнения лабораторной работы – 2 часа. Печатается в соответствии с решениями кафедры «Физика» и методического совета факультета математического моделирования и процессов управления.

Главный редактор Л. А. Суевалова Редактор Л. С. Бакаева Компьютерная верстка В. Н. Адамович Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Усл.печ. л. 0,7. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 250 экз. Заказ . С 131.

Издательство Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136 Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

© Издательство Хабаровского государственного технического университета, 2002

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Хабаровский государственный технический университет»

ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Методические указания к лабораторной работе № 53а для студентов 2-го курса всех специальностей

Хабаровск Издательство ХГТУ 2002

Министерство образования Российской Федерации Хабаровский государственный технический университет

Утверждаю в печать Ректор университета д-р техн. наук________ С.Н. Иванченко «___» ________________ 2002 г.

ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Методические указания к лабораторной работе № 53а для студентов 2 курса всех специальностей Составил: Кирюшин А.В. Рассмотрены и рекомендованы к изданию кафедрой физики «___» _________________________ 2000 г. Зав. кафедрой ___________________

Кныр В.А.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию советом факультета математического моделирования и процессов управления «___» __________________________ 2000 г. Председатель совета _______________

Намм Р.В.

Нормоконтролер __________________

Крамарь Е.И.

Хабаровск Издательство ХГТУ 2002

3

Цель работы: ознакомиться с явлением естественной оптической активности. Задача: определить удельное оптическое вращение раствора сахара в воде и концентрацию сахара в водном растворе. Приборы и принадлежности: круговой поляриметр СМ, кювета с раствором сахара в воде с известной концентрацией, кювета с водным раствором сахара неизвестной концентрации.

ВВЕДЕНИЕ Естественной оптической активностью называется способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через нее линейно поляризованного света. Такие среды получили название оптически активных. К их числу принадлежат как твердые (например, кварц, киноварь), так и жидкие тела (например, скипидар, раствор сахара в воде). Плоскость поляризации - это плоскость колебаний электрического (светового) вектора линейно поляризованной световой волны, которая может быть получена из естественной световой волны с помощью поляризатора. Типы поляризаторов весьма многочисленны и разнообразны. Наибольшее распространение получили пленочные поляризаторы-поляроиды. Феноменологическое (макроскопическое) объяснение естественной оптической активности было дано Френелем в 1823 г. Он показал, что естественная оптическая активность является особым типом двойного лучепреломления – кругового (циркулярного) двупреломления. В оптически активных средах скорость распространения света различна для лучей, поляризованных по правому и левому кругу. Вследствие этого показатели преломления этих лучей также а б имеют различные значения. Линейно поляризованный свет можно представить как Рис. 1. Распространение суперпозицию двух волн с одинаковыми циркулярно поляризованчастотами и амплитудами, одна из которых ных волн в оптически обладает правой, а другая - левой циркулярактивной среде →

ной поляризацией. На рис. 1, а обозначены: E1 – световой вектор левой со→

→

ставляющей, E 2 – правой, РР – направление суммарного вектора E . Если скорость распространения обеих составляющих неодинакова, то по мере →

прохождения через вещества один из векторов, например E1 , будет отста-

4 →

вать в своем вращении от вектора E 2 (рис. 1, б), то есть результирующий →

вектор будет поворачиваться в сторону более "быстрого" вектора E 2 и займет положение QQ. Угол поворота плоскости поляризации будет равен φ. Микроскопический механизм естественной оптической активности связан с отсутствием зеркальной симметрии у молекул оптически активных веществ. Такие молекулы имеют вид штопора, перчатки с одной руки или вообще такую форму, которая при отражении в зеркале переходит в другую форму подобно тому, как перчатка с левой руки принимает вид перчатки с правой руки. Наиболее привычный образ, связанный с понятием зеркальной асимметрии, – образ левого и правого винта. Все молекулы оптически активных веществ, например сахара, имеют одинаковое направление закручивания винта (одинаковую спиральность). Спиральность винта не зависит от того, с какой стороны на него смотреть. Поэтому раствор, в котором молекулы сахара ориентированы случайно, имеет спиральность, которая совпадает со спиральностью одной молекулы. Из-за этого скорость распространения света в растворе сахара различна для лучей с правой и левой круговой поляризацией. Интересно, что молекулы всех важнейших биологических веществ (аминокислоты, нуклеиновые кислоты, белки, углеводы) также не имеют зеркальных антиподов, в отличие от молекулярных структур неживой природы. Причина этого до сих пор не выяснена. Очевидно, что это свойство имеет фундаментальное значение, потому что по каким-то причинам "выгодно" для жизни. Естественная оптическая активность является одним из наиболее эффективных методов изучения биологических объектов. В растворах угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути луча ℓ в растворе и концентрации с активного вещества: φ = [α] ℓ с,

(1)

где [α] – удельное вращение. Эта величина зависит от природы оптически активного вещества, температуры и длины волны света. Принято выражать α в градусах, ℓ – в дециметрах, с – в г/см3. Для желтых лучей (линия паров натрия с длиной волны λ = 589,3 нм) в водном растворе сахара при 20 0С

[α]

табл

град ⋅ см 3 = 66,6 . дм ⋅ г

(2)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ Формула (1) является теоретической основой метода определения концентрации с оптически активного вещества. Применяемые для этого при-

5

боры называют поляриметрами или сахариметрами. Они широко используются в заводских и научно-исследовательских лабораториях. На первый взгляд, кажется приемлемым проводить измерение угла поворота плоскости поляризации, устанавливая анализатор поляриметра на темноту поля зрения в отсутствие и присутствие оптически активного вещества. Однако такое измерение оказывается довольно грубым, т.к. человеческий глаз не может точно отметить положение, в котором анализатор установлен на полное затемнение поля зрения. Поэтому при измерениях применяют поляриметры, устанавливаемые не на темноту поля зрения, а на равное освещение двух или трех полей зрения.

Рис. 2. Оптическая схема поляриметра (вид сверху) В данной работе применяется круговой поляриметр СМ, оптическая схема которого представлена на рис. 2. Основными частями установки являются поляризатор 3 и анализатор 7, изготовленные из поляроидной пленки. Свет, идущий от источника 1, пройдя через конденсорную линзу 2 и поляризатор 3, попадает на узкую кварцевую пластинку 4, закрывающую только среднюю часть поля зрения. Таким образом, формируются три части светового пучка. В дальнейшем все три части пучка проходят через светофильтр 5 (с максимумом спектрального распределения в области желтой линии натрия λ = 589,3 нм), кювету 6 с испытуемым раствором, анализатор 7, объектив 8, окуляр 9. Рассмотрим сначала случай, когда кювета заполнена прозрачным веществом, не проявляющим естественной оптической активности, например воздухом или чистой водой. Поляризатор в приборе установлен так, что боковые части пучка падают на анализатор с вертикальным направлением све→

→

товых колебаний (векторы Е1 и Е 2 на рис. 3, а, 3, б, 3, в). Геометрическая ось кварцевой пластинки, перекрывающей среднюю часть пучка, в установке расположена вертикально (рис. 3а, 3б, 3в). При этом не следует путать геометрическую ось с оптической осью кварца, которая в данном случае перпендикулярна плоскости пластинки и совпадает с осью системы. Кварц, как уже указывалось, является оптически активным веществом. Поэтому в средней части пучка плоскость поляризации поворачивается на небольшой угол

6 →

2β = (5 – 7)0 (вектор Е 3 на рис. 3, а, 3, б, 3, в) по отношению к плоскости колебаний крайних пучков.

а

б

в

Рис. 3. Поле зрения поляриметра с кюветой, заполненной чистой водой. Направления колебаний анализатора, показанные штриховкой, обеспечи→

→

вают: а) гашение боковых полей зрения ( А а А а ⊥ Е1 , Е 2 ) при частичном →

просветлении среднего поля; б) гашение среднего поля ( А б А б ⊥ Е 3 ) при частичном просветлении боковых полей; в) равное затемнение тройного поля зрения (чувствительное положение анализатора) Если анализатор находится в положении, при котором плоскость его →

→

колебаний АаАа перпендикулярна направлениям колебаний Е1 и Е 2 в боковых частях пучка (рис. 3, а), то оба боковых поля зрения будут черными, а среднее поле будет слегка просветленным. Если плоскость колебаний анали→

затора АбАб перпендикулярна к плоскости колебаний Е 3 в средней части пучка (рис. 3, б), то будет обратное явление. Очевидно, что все три поля зрения будут иметь одинаковое освещение только при положениях анализатора АвАв и АгАг, которые симметричны относительно положений АаАа и АбАб (рис. 4). Ясно, что положение АвАв более выгодно в отношении точности установки на равенство освещенностей, благодаря физиологическим особенностям глаза, более чувствительного к изменениям малых интенсивностей. Это положение называется чувствительным положением анализатора (рис. 3, в). Оно характеризуется тем, что: а) незначительное вращение ручки анализатора вызывает резкое изменение освещенности наблюдаемых частей поля зрения; б) наблюдаемое тройное поле при установке на равномерную освещенность его частей будет темным.

7

Рис. 4. Направления колебаний АвАв и АгАг анализатора, обеспечивающие равномерную освещенность тройного поля при отсутствии (а) и наличии (б) оптически активного вещества (правое вращение, φ – угол поворота). АвАв – чувствительное положение анализатора Пусть в установку, находящуюся в нулевом положении (рис. 3, в), поместили кювету с раствором сахара. В этом случае направления колебаний в каждой из трех частей поля зрения повернутся на угол φ, равный углу поворота плоскости поляризации света в испытуемом веществе. В растворе сахара этот поворот происходит по часовой стрелке, если смотреть навстречу ходу лучей света (так называемое правое вращение). Конечно, на этот угол φ надо повернуть анализатор, чтобы опять достигнуть равной освещенности тройного поля зрения (рис. 4, б). Положение анализатора может быть однозначно определено с помощью отсчетного устройства. Основная шкала этого устройства (лимб) имеет цену деления, равную 10. Внутри лимба на подвижной втулке, связанной с анализатором, нанесены два нониуса с ценой деления 0,050. Снятие отсчета проводится так же, как на штангенциркуле. Сначала с точностью до 10 определяют, на сколько повернута шкала нониуса по отношению к шкале лимба, затем по штрихам нониуса, совпадающим со штрихами шкалы лимба, отсчитывают доли градуса с точностью до 0,050.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Включите поляриметр в сеть переменного тока, а затем с помощью тумблера, укрепленного на кронштейне прибора, включите осветитель установки. 2. Удалите кювету из поляриметра. 3. Вращением втулки наблюдательной трубки установите окуляр «под глаз» экспериментатора на резкое изображения линии раздела полей сравнения.

8

4. Определите нулевую точку прибора. Для этого вращением ручки анализатора, расположенной рядом с окуляром, добейтесь равенства яркостей полей сравнения в чувствительном положении (вблизи полного затемнения поля зрения). Снимите отсчет α0 по любой шкале лимба с нониусом. Результат занесите в таблицу. Результаты измерений

i

α0, град

α1, град

φ, град

αх1, град

φх, град

1 2 3 4 x 5. Проделайте такие измерения еще три раза, каждый раз заново отыскивая чувствительное положение анализатора и заново снимая отсчеты по той же шкале лимба с нониусом. Перед каждым таким измерением предыдущую установку прибора на нуль необходимо "сбить" небольшим поворотом ручки анализатора в любую сторону. Результаты α0 занести в таблицу. 6. За нулевую точку прибора примите среднее α 0 из проделанных четырех измерений. 7. Поместите в кюветное отделение поляриметра кювету с водным раствором сахара известной концентрации. Эта концентрация с, выраженная в г/см3, а также путь луча в растворе указаны на кювете. Проведите четыре независимых измерения угла α1, задающих новое чувствительное положение анализатора (вблизи полного затемнения поля зрения) по тому же отсчетному устройству. Результаты занесите в таблицу. Найдите среднее значение этого угла α1 . 8. За угол поворота плоскости поляризации раствором сахара примите значение ϕ = α 1 − α 0 . Результат запишите в таблицу. 9. С помощью формулы

ϕ , l⋅ c вытекающей из соотношения (1), рассчитайте удельное вращение водного раствора сахара и сравните его с табличным значением (2).

[α] =

9

10. Проведите аналогичные измерения угла αх1 по тому же отсчетному устройству для раствора с неизвестной концентрацией сх. Результаты занесите в таблицу. 11. За угол поворота плоскости поляризации раствором сахара неизвестной концентрации примите значение ϕ x = α x1 − α 0 . 12. Определите неизвестную концентрацию с помощью формулы ϕ cx = x . [α] ⋅ l

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какой свет называется естественным? линейно поляризованным? циркулярно поляризованным? эллиптически поляризованным? 2. Что называется поляризатором? анализатором? 3. В чем состоит закон Малюса? 4. Что называется естественной оптической активностью? 5. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активное вещество? 6. Что называется двойным лучепреломлением? Какова природа оптической анизотропии кристаллов? Что называется оптической осью кристалла? 7. Приведите примеры устройств, которые могут выполнять функции поляризатора и анализатора. 8. Почему теневые поляриметры менее предпочтительны, чем поляриметры, устанавливаемые не на темноту, а на равенство освещенностей двух или трех полей зрения? 9. Дайте феноменологическое объяснение (по Френелю) явления естественной оптической активности. 10. Что называется магнитным вращением плоскости поляризации света (эффектом Фарадея)? Чем этот эффект отличается от естественной оптической активности?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1999. – 542 с. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1999. – 718 с.