Поляриметрические методы анализа

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра оптики

Поляриметрические методы анализа

Дипломная работа

ГОМЕЛЬ 2005

Реферат

Дипломная работа 31 с., 1 табл., 23 рис., 6 источников.

Ключевые слова: поляриметр, количественный анализ, лабораторная работа, закон Био, зависимость удельного вращения от длины волны.

Объекты исследования – законы поляриметрии, поляриметрические методы определения содержания вещества в растворе.

Цель исследования – разработка методических указаний к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”, а также частичная модернизация поляриметра СМ-3.

Результаты исследований:

Рассмотрены основные методы поляриметрии и приборы поляриметрического анализа. Разработаны методические указания к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”.

Проведена частичная модернизация поляриметра СМ-3, заключающаяся в том, что с целью расширения функциональных возможностей прибора проведена замена системы исходной освещения блоком, позволяющим проводить изменения как в белом свете, так и в синем, зеленом, желтом и красном диапазонах спектра.

Введение

Оптически активные вещества, имеющие асимметричную молекулярную или кристаллическую структуру, поворачивают плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол a - угол вращения плоскости поляризации, который зависит от природы оптически активного вещества, концентрации (для растворов), длины волны света, температуры, природы растворителя. Величина, характеризующая зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны da/dl , называется дисперсией оптического вращения. Величина a пропорциональна толщине слоя вещества и концентрации раствора. Характеристика природы вещества учитывается удельным углом вращенияa_D⁽²⁰⁾ . Угол поворота плоскости поляризации измеряют обычно при 20 ⁰С и стандартной длине волны 589,3 нм (D-линия Na). Один из вариантов закона Био для растворов связывает все эти параметры уравнением a_D²⁰=a(lr⁽²⁰⁾), l – длина кюветы, r⁽²⁰⁾ – плотность жидкости при 20 ⁰С. Измерения, как правило, проводят на приборах, называемых поляриметрами.

Поляриметрия широко применяется для исследования строения оптически активных веществ и измерения их концентрации. Оптическая активность - эффект второго порядка, получаемый при учёте различия фаз световой волны в разных точках молекулы, который возникает в результате электронных взаимодействий в молекуле. Она чрезвычайно чувствительна к любым изменениям строения вещества и к межмолекулярному взаимодействию, поэтому она может дать ценную информацию о природе заместителей в молекулах (как органических, так и комплексных неорганических соединений), об их конформациях, внутреннем вращении и т.д. На оптическую активность веществ влияют межмолекулярного взаимодействия, которые модно рассматривать в модели молекулы как системы анизотропно поляризующихся атомных групп, между которыми в поле световой волны возникает специфическое электростатическое взаимодействие, индуцирующее дополнительное диполь-дипольное взаимодействие.

Трудности теоретических оценок оптической активности химических соединений определяются неаддитивностью явления, не позволяющей вести расчёты на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество квазимонохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

Цель работы - разработка методических указаний к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”. В связи с последней частью лабораторной работы возникла дополнительная задача модификации промышленного поляриметра, обусловленная необходимостью проведения измерений на разных длинах волн.

1 Поляризация света и связанные с ней явления

1.1 Поляризация света

Поляризация света – одно из фундаментальных свойств оптического излучения, состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). Поляризацией света называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия (1-3).

Впервые понятие о поляризации света было введено в оптику И. Ньютоном в 1704 г., хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 г. и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678-1690 гг.). Сам термин “поляризация света” предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля, Д. Араго, Д. Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит поляризация света. Существенное значение для понимания поляризации света имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). Поляризация света нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73).

Поперечность световых волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Векторы Е и Н выделяют определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Световая волна, испускаемая отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризована полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа элементарных излучателей, что приводит к хаотическому распределению ориентаций вектора E в пространстве. Подобное излучение называется неполяризованным (естественным) светом, а вектор Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны. Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная поляризация света возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.

Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу (рисунок 1.1). В общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция – эллипс, что связано с постоянством частоты колебаний и разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ев монохроматической волне. Для полного описания эллиптической поляризации света необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (рис. 2).

Рисунок 1.1 – Колебания проекций вектора Е световой волны в системе координат х, у, z,

z – направление распространения волны (а); б и в – мгновенные изображения колебаний

и соответствующей огибающей концов вектора Е в разных точках волны для случая,

когда колебания E_x на четверть периода (p) опережают колебания E_y

Рисунок 1.2 – Возможные направления вращения вектора E и направления осей

эллипса поляризации

Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации света – линейная поляризация (разность фаз Dj=±p, где – целое число, эллипс вырождается в отрезок прямой – рисунки 1.2а и 1.2д) и круговая (циркулярная) поляризация (Dj=±(2+1)p/2, эллипс поляризации превращается в окружность, рисунок 1.2в). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении, рис) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания поляризации света в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности (рисунки 1.2б, 1.2 г и 1.2е).

Если фазовое соотношение между компонентами Е_x и Е_у меняется за времена, много меньшие времени измерения поляризации света, нельзя говорить о полной поляризации света. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматических волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует некоторый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны одна из компонент вектора Е всегда больше другой (Е_x¹Е_у). Степень подобной фазовой корреляции в таком (частично поляризованном) свете описывают степенью поляризации света р:

где индексы 1 и 2 относятся к интенсивностям I света двух ортогональных поляризаций. Очевидно, что р может меняться от 0 до 100%, отражая все количественные градации состояния поляризации света. Однако следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным – с поляризацией, меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.

К частичной или полной поляризации света может приводить множество физических процессов. Это, например, отражение и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонент светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения. Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией (вследствие неодинаковости коэффициентов поглощения света при различных состояниях поляризации света, например при правой и левой круговых поляризациях - т. н. круговой дихроизм, являющийся частным случаем плеохроизма; вследствие различия преломления показателей среды для лучей различных линейных поляризаций - войного лучепреломления. Очень часто полностью поляризовано излучение лазеров; одной из основных причин поляризации света в лазерах является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны; таким образом, при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в лазерном импульсе их поляризации могут быть совершенно одинаковыми. Поляризация возникает при резонансном излучении в парах, жидкостях и твёрдых телах. Поляризация при рассеянии света столь характерна, что её исследование - один из основных способов изучения как особенностей и условий самого рассеяния, так и свойств рассеивающих центров, в частности их структуры и взаимодействия между собой. В определённых условиях сильно поляризовано люминесцентное свечение, особенно при возбуждении его поляризованным светом. Поляризация весьма чувствительна к величине напряжённости и ориентации электрических и магнитных полей; в сильных полях компоненты, на которые расщепляются спектральные линии испускания, поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем, оказываются поляризованными.

1.2 Хроматическая поляризация света

Одним из эффектов интерференции поляризованных лучей света является хроматическая поляризация света, связанная с зависимостью всех интерференционных явлений от длины волны излучения. Она проявляется, в частности, в окрашивании интерференционной картины, возникающей при интерференции белого света.

Обычная схема получения картины хроматической поляризации света в параллельных лучах приведена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема наблюдения интерференции поляризованных лучей

в параллельном световом потоке (N₁ - поляризатор, N₂ - анализатор; К - пластинка

толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно

его оптической оси)

В пластинке К, вырезанной из двулучепреломляющего одноосного кристалла параллельно его оптической оси ОО и установленной перпендикулярно пучку, плоскополяризованный луч разделяется на составляющую А_е с колебаниями электрического вектора, параллельными ОО (необыкновенный луч), и составляющую А_о, колебания электрического вектора которой перпендикулярны ОО (обыкновенный луч). Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (n_e и n_o) различны, а следовательно, различны скорости их распространения в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направлению, приобретают разность хода. Разность фаз их колебаний при выходе из К равна d=(1/l ×2pl(n_о-n_e), где l -толщина К, l - длина волны падающего света.

Поляризатор N₁ пропускает лишь одну линейно поляризованную в направлении N₁N₁ составляющую исходного пучка, анализатор N₂ пропускает из каждого луча только его слагающую с колебаниями, лежащими в плоскости его главного сечения N₂N₂. Если оптические оси анализатора и поляризатора скрещены (N₁^N₁), амплитуды слагающих А₁ и А₂ равны, а разность их фаз Dj=d+p. Они когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины Dj на каком-либо участке пластинки К наблюдатель увидит этот участок тёмным, если Dj=(2n+1)p, или светлым, если Dj=2np, в монохроматическом свете и окрашенным -в белом свете. Если пластинка неоднородна по толщине или по показателю преломления, её участки, в которых эти параметры одинаковы, видны соответственно одинаково тёмными или светлыми либо одинаково окрашенными. Линии одинаковой цветности называют изохромами.

Схема для наблюдения хроматической поляризации света в сходящихся лучах показана на рисунке 1.4 Лучи разного наклона проходят в К разные пути, приобретая разности хода (различные для обыкновенного и необыкновенного лучей). По выходе из анализатора они интерферируют, давая характерные интерференционные картины, показанные на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Схема наблюдения хроматической поляризации в сходящихся лучах

(N₁ - поляризатор, N₂ - анализатор; К - пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно его оптической оси; L₁, L₂ - линзы)