Теоретическое введение
Поляризованный свет, распространяясь в некоторых кристаллах (кварц, киноварь и др.) вдоль направлений, параллельных его оптической оси, испытывает вращение плоскости поляризации. Это явление наблюдается не только в кристаллах, но и в некоторых чистых жидкостях (скипидар, нефть и др.), в растворах многих веществ (водный раствор сахара, раствор виннокаменной кислоты и др.). Вещества, вращающие плоскость поляризации света, называются оптически активными.
Если смотреть навстречу лучу, то плоскость поляризации оптически активными веществом может быть повернута либо по ходу часовой стрелки, либо против часовой стрелки. Вещества, вращающие плоскость поляризации по часовой стрелке, называются правовращащими, а вращающие против часовой стрелки – левовращающими.
Вращение плоскости поляризации можно объяснить, если представить плоско поляризованные колебания как результат сложения двух колебаний, поляризованных по кругу с правым и левым направлением вращения, распространяющихся в оптически активной среде с разными скоростями. Тогда угол поворота плоскости поляризации в твердом теле, равный половине угла разности фаз φ влево и вправо вращающих лучей, можно рассчитать по формуле:
(4–1)
где nn, nл – коэффициенты преломления лучей право и лево поляризованных по кругу;
λ0 – длина волны света в вакууме;
d – толщина пронизываемого светом слоя оптически активного вещества;
[ а] – коэффициент пропорциональности.
В формуле (4 – 1) коэффициент [ а ] принято относить к толщине твердого тела, равной 1 мм.
В случае растворов угол α вращения плоскости поляризации, кроме толщины d слоя вещества, прямо пропорционален концентрации раствора с, т.е.
(4–2)
Коэффициент [a0] в формуле (4–2) называется удельным вращением, которое численно равно углу вращения плоскости поляризации в растворе при концентрации C = 1 г/см3 (т.е. при растворении 100 г. оптически активного вещества в 100см3 раствора) и толщина слоя этого раствора d=1дм.
Коэффициент [ a0 ] в формулах (4–1) и (4–2) зависит от температур раствора и от длины волны света. Поэтому всегда необходимо указывать, для какой длины волны света проведены измерения углов вращения плоскости поляризации и температуру исследуемого раствора. Принято удельное вращение определять для желтой линии натрия при температуре t=200C. Удельное вращение жидкого оптически активного вещества рассчитывается по формуле:
(4–3)
где ρ – плотность жидкости в г/см3.
Приборы, служащие для определения угла вращения плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, предназначенные для измерения концентрации сахара в растворе, получили название сахариметров.
Устройство и принцип работы сахариметра
Сахариметр состоит из узла измерительной головки 1 (анализатор) и осветительного узла 2, соединенных между собой траверсой 3 (рис. 1). Траверса крепится через стойку 4 к основанию. На траверсе укреплены кюветное отделение для поляриметрических кювет 5 и оправа с поляризатором 10 и полутеневой пластиной.
С лицевой стороны измерительной головки расположены лупа 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка 8 клинового компенсатора, вращением которой перемещают подвижный кварцевый клин и связанную с ним шкалу. Осветительный узел 2 состоит из патрона с лампой 9 (патрон устанавливается тремя винтами) и поворотной обоймы 10 со светофильтром и диафрагмой (поляризатор).
На основании установлены кнопка 11 для включения осветителя и ручка 12 резистора для регулирования яркости поля зрения.
Рис. 1
Обозначения
1 – Узел измерительной головки.
2 – Осветительный узел.
3 – Траверса.
4 – Стойка.
5 – Отделение для поляриметрических кювет.
6 – Лупа для отсчета показаний.
7 – Зрительная труба.
8 – Рукоятка клинового компенсатора.
9 – Патрон с лампой.
10 – Поворотная обойма со светофильтром и диафрагмой (поляризатор).
11 – Кнопка включения осветителя.
12 – Ручка регулирования яркости поля зрения.
Внутри основания вмонтирован понижающий трансформатор. На тыльной стороне основания находится винт заземления, вилка разъема для включения сахариметра в сеть.
Принцип работы сахариметра основан на способности сахарных растворов вращать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного луча света. Угол вращения плоскости поляризации луча света раствором в объеме определенной толщины пропорционален концентрации раствора. На этой зависимости и основана работа сахариметра – визуального оптико-механического прибора.
Оптическая схема
Световой поток, идущий от источника света 9 через светофильтр или диафрагму 10, проходит через призму-поляризатор, которая преобразует его в поляризованный поток света. Затем поток света проходит через полутеневую пластину, разделяющую его на две половины линией раздела. Анализатор пропускает равные по яркости обе половины светового потока, и в поле зрения зрительной трубы наблюдаются две половины поля одинаковой яркости, разделенные тонкой линией и называемые полями сравнения.
При установке кюветы с раствором между поляризатором и анализатором нарушается равенство яркостей полей сравнения, так как исследуемый раствор поворачивает плоскость поляризации на угол, пропорциональный концентрации раствора.
Для уравнивания яркостей полей сравнения в сахариметре применен клиновой компенсатор 8, состоящий из подвижного кварцевого клина левого вращения и неподвижного контрклина правого вращения. Перемещением подвижного клина относительно неподвижного (подвижную шкалу относительно неподвижной) устанавливают такую суммарную толщину клиньев по оптической оси, при которой компенсируется угол поворота плоскости поляризации раствора. При этом происходит уравнивание яркостей полей сравнения. Одновременно с подвижным клином перемещается связанная с ним шкала. По нулевому нониусу (делению неподвижной шкалы) фиксируют значение подвижной шкалы, соответствующее состоянию одинаковой яркости полей сравнения. Шкала и нониус наблюдаются через лупу 6 и освещаются лампой через отражательную призму и светофильтр.