Какое свойство зрения используется при работе с сахариметром
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 φвлево 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 αвращения 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.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
С помощью сахариметра»
Тамбов 2003
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА
С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА
Цель работы: определить постоянную удельного вращения и неизвестную концентрацию раствора сахара.
Приборы и принадлежности: сахариметр универсальный СУ-3, кювета с раствором сахара известной концентрации, кювета с раствором сахара неизвестной концентрации.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела ( кварц, киноварь), жидкости
( скипидар, никотин, нефть ) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях ( водные растворы сахара, винной кислоты, белков ).
В случае раствора, угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине (L) проходимого светом слоя и концентрации активного вещества в растворе (c):
j = с L,
где — величина, называемая постоянной удельного вращения или просто удельным вращением. Эта величина сильно зависит от длины волны света , определяется опытным путем и для разных веществ приводится в справочных таблицах.
Для измерения угла поворота плоскости поляризации света при прохождении через вещество применяются специальные приборы — поляриметры.
С их помощью можно весьма точно и быстро определять толщину оптически активного вещества и его концентрацию. Поляриметры, используемые для измерения концентрации сахара, называются сахариметрами.
Рассмотрим оптическую схему и принцип действия полутеневого сахариметра ( рис.1 ).
Свет от источника 1 ( лампа накаливания ) делится на два пучка. Один из них ( на рис. 1 показан штрихпунктиром ) служит для освещения шкалы 2 и нониуса 3 прибора, которые рассматриваются через окуляр 4. Второй пучок света проходит через светофильтр 5, выделяющий красную область спектра. Система линз 6 ( конденсор ) формирует параллельный пучок света, который поступает на вход поляризатора 7 ( призма Николя ). Получающийся плоскополяризованый свет проходит последовательно через кювету с раствором сахара 8, компенсатор 9 ( клин переменной толщины, изготовленный из правовращающего кварца ) и попадает на вход анализатора 10 ( призма Николя или поляроидная пленка ). Визуальное наблюдение осуществляется через окуляр зрительной трубы 11 .
Если главные плоскости пропускания поляризатора и анализатора образуют прямой угол, а оптически активное вещество между ними отсутствует то свет через такую систему не пройдет и поле зрения трубы будет темным. В присутствии активного вещества плоскость поляризации повернется на некоторый угол и , в соответствии с законом Малюса, интенсивность света за анализатором уже не будет равной нулю, при этом поле зрения просветляется. Чтобы вновь добиться полного затемнения, необходимо повернуть анализатор на угол равный углу поворота плоскости поляризации света после прохождения через активное вещество. Однако человеческий глаз не может достаточно точно оценить момент наибольшего затенения. Поэтому на практике применяется так называемый полутеневой метод. Его идея основана на следующем очевидном соображении. Если некоторая величина незначительно меняется вблизи своего максимума или минимума то, для того, чтобы более точно определить положение соответствующего экстремума надо эту величину (или что-то связанное с ней ) заставить изменятся сильнее.
С этой целью, в полутеневом сахариметре, обычная призма Николя, используемая в качестве анализатора ( или поляризатора ), разрезана вдоль главной плоскости пропускания на две равные части. Полученные грани сошлифованы на клин под небольшим углом b = 2 — 2,50, а затем обе половинки вновь склеены. При этом плоскости пропускания П1 и П2 обоих половинок анализатора образуют между собой малый угол 2b ( рис. 2 ), а круглое поле зрения будет разделено пополам вертикальной линией ( рис. 3 ). Если плоскость поляризации РР света, выходящего из поляризатора, перпендикулярна биссектрисе угла между главными плоскостями половинок анализатора П1 и П2 , то обе половинки поля зрения освещены одинаково:
I1 = I2 = I0 Sin2 b,
где I0 — интенсивность плоскополяризованного света падающего на анализатор, а I1 и I2 — интенсивности света , пропускаемые соответственно половинками анализатора, то есть поле зрения уже не будет полностью темным, а полутемным ( рис. 3 б).
Если плоскость РР повернется на угол j в положение Р1P1 , то интенсивности света выходящего из обоих половинок анализатора станут неодинаковыми:
I1 = I0 Sin2 (b + j ), а I2 = I0 Sin2 ( b — j ).
Таким образом , даже небольшой поворот плоскости поляризации света OР после прохождения через активное вещество, приводит к значительному нарушению равенства освещенностей обоих половин поля зрения ( рис.3 a.,в ).
Если после установки прибора на равенство освещенностей двух половин анализатора поместить между поляризатором и анализатором исследуемое вещество, то обе половины поля зрения будут освещены не одинаково. Для восстановления равенства освещенностей анализатор надо повернуть на угол j, равный углу поворота плоскости поляризации активным веществом.
В сахариметре анализатор не вращается. Освещенность уравнивают клиновидным кварцевым компенсатором. Кварц является также оптически активным веществом, который вращает плоскость поляризации света, проходящего через него, в противоположном, чем раствор сахара, направлении. Смещая кварцевый клин с помощью микрометрического винта ( кремальерная передача ) перпендикулярно лучу, т.е меняя толщину его рабочей части, можно скомпенсировать поворот плоскости поляризации раствором сахара и восстановить равную освещенность полей зрения. Линейное перемещение клина пропорционально углу поворота плоскости поляризации, поэтому прибор проградуирован в так называемых градусах сахарной шкалы.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
В работе используется универсальный сахариметр СУ-3 ( оптическая схема показана на рис. 1 ) и входящие в его комплект кюветы с раствором сахара известной и неизвестной концентрации. Длина каждой кюветы равна 2 дм. Поле зрения нижнего окуляра разделено пополам вертикальной линией. Верхний окуляр служит для снятия отсчета угла поворота плоскости поляризации раствором сахара. Оба окуляра позволяют фокусировать наблюдаемые в них изображения. Используя нониус верхнего окуляра, можно измерять угол с точность до 0,10 ( аналогичный принцип используется в штангенциркуле ) .
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включите сахариметр в сеть переменного тока с напряжением 220 В.
2. Настройте оба окуляра на резкость, при этом: в нижнем окуляре должна быть четко видна граница полей зрения, а в верхнем — деления основной шкалы и нониуса.
3. Снимите нулевой отсчет. Для этого, не вставляя в прибор кювету с раствором сахара, с помощью ручки кремальерной передачи добейтесь равенства освещенностей обеих половин поля зрения нижнего окуляра. Отчет угла j0i произведите с помощью верхнего окуляра. Опыт выполните 5 раз и результаты занесите в таблицу 1.
Таблица 1
4. Вставьте в прибор кювету с раствором сахара известной концентрации С1 .
Произведите 5 опытов аналогично пункту 3. Полученные значения углов j1i занесите в таблицу 2.
Таблица 2
5. Вставьте в прибор кювету с раствором сахара неизвестной концентрации Сх . Произведите 5 опытов аналогично пункту 3. Полученные значения углов j2i занесите в таблицу 3
Таблица 3
6. Рассчитайте удельную постоянную вращения для сахара по формуле:
,
где: С1 — известная концентрация сахара в растворе в %, L — длина кюветы .
7. Найдите неизвестную концентрацию сахара в растворе по формуле:
8 Рассчитайте абсолютные и относительные погрешности измерений и С2.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Естественный и поляризованный свет.
2. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.
3. Явление двойного лучепреломления. Призма Николя.
4. Вращение плоскости поляризации.
5. Применения поляризованного света
6. Принцип действия сахариметра.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Савельев И.В. Курс физики, М.. 1989. т.2.
2. Зисман Г.А., Тодес О.Н. Курс общей физики. т . 3. 1972 г.
3. Майсова Н-Н. Практикум по курсу общей физики, М.,1970.
4. Иверонова В.И., Физический практикум. Электричество и оптика., М.,1968.
5. Лабораторный практикум по физике ( под редакцией Ахматовой А.С. ). М. 1980. г.
Напряжения в стеклянной заготовке зеркала для телескопа, расположенной между экраном ЖК монитора (излучающим линейно поляризованный свет) и поляроидом, иллюстрируют эффект фотоупругости
Поляриметр (полярископ — для визуального наблюдения и анализа) — прибор, предназначенный для измерения угла вращения плоскости поляризации, вызванной оптической активностью прозрачных сред, растворов (сахарометрия) и жидкостей. В широком смысле поляриметр — это прибор, измеряющий параметры поляризации частично поляризованного излучения (в этом смысле могут измеряться параметры вектора Стокса, степень поляризации, параметры эллипса поляризации частично поляризованного излучения и т.п.).
Примечание: Ранее справочники к поляриметрам относили и устройства, которые измеряют степень поляризации. Но с введением в действие стандарта ГОСТ 23778-79 «Измерения оптические поляризационные. Термины и определения» за такими устройствами закрепилось название полярометр.
Области применения[править | править код]
Измерение оптической активности при помощи поляриметра: 1 — источник света, 2 — неполяризованный свет, 3 — поляризатор, 4 — поляризованный свет, 5 — кювета с раствором вещества, 6 — оптическое вращение 30°, 7 — анализатор, 8 — наблюдатель
Применяется для изучения структуры и свойств вещества. Имеет прикладное применение в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких как сахар, глюкоза, белок, по углу вращения плоскости поляризации. Рекомендуется больным сахарным диабетом для индивидуального контроля содержания сахара в моче.
Также позволяет наблюдать и измерить остаточные напряжения в стекле.
Устройство[править | править код]
Поскольку существует масса различных областей применения, то конструкции поляриметров могут отличаться, но ключевые элементы одинаковы.
- Источник света — чаще это натриевая лампа или лампа накаливания с тепловым экраном для защиты образца от ИК излучения (для твердых деталей важно избегать термических деформаций, для жидкостей — градиента плотности) и матовым стеклом, дающим равномерную засветку наблюдаемой области.
- Светофильтр — элемент, выделяющий определенную область в спектре, так как во многих поляриметрах используется монохроматический свет. Таким элементом может быть пластина из фильтрующего вещества или призма.
- Двух поляризаторов, расположенных по обе стороны от анализируемого образца/системы (часто один из них это поляроид, а второй либо поляроид, либо призма Николя). В тех случаях, когда исследуется, как поляризуется объектом естественный свет, либо объект сильно удалён (например, в космосе), достаточно и одного поляризатора.
- Компенсатор — фазовая пластинка, которая сдвигает волну (как правило, на четверть или половину фазы за счёт того, что имеет толщину кратную четверти или половине длины волны, реже встречаются пластинки для сдвига на длину волны или фазовые клинья с переменным сдвигом). Используется для подбора метода измерений, а также для измерения полных поляриметрических данных, иначе в частично поляризованном свете можно определить только три из четырёх параметров Стокса. В схемах поляриметров обычно один компенсатор (иногда несколько, тем более, что их комбинацией можно заменить поляризатор). Существуют также бескомпенсаторные схемы поляриметров, т. е. без фазовой пластинки. Основные причины отказа от неё — избыточное усложнение конструкции для задачи измерения или ограничение спектра компенсатором.
- Измерительное устройство углового положения как поляризаторов, так и компенсатора — лимб или электронный датчик. Отсчёт углового положения осей оптических элементов (и оси пропускания поляризатора и быстрой оси компенсатора) от произвольно выбранной оси отсчёта принято вести против часовой стрелки, если смотреть против направления распространения излучения.
- Фотоприёмник или наблюдатель.
Самодельный полярископ[править | править код]
Транспортир из прозрачного пластика помещенный между двух поляроидов
Несмотря на сложность конструкции промышленных поляриметров, наблюдать поляризацию можно используя лишь один или два поляроида.
Линейно поляризующие пластины, которые широко используются для визуализации с помощью жидких кристаллов (в частности в калькуляторах и ЖК-дисплеях), встречаются самостоятельно как под размеры экранов некоторых устройств, так и прямоугольники произвольных габаритов, предлагаемые заводами. В устройстве экрана одна из них помещается перед ячейками с кристаллами, другая — после, а ячейка с жидким кристаллом поворачивает азимут линии поляризации в зависимости от величины приложенного поля. Также можно найти в продаже поляризационные светофильтры для объективов, выделяющие линейную или циркулярную поляризацию (последние представляют объединение линейного поляризатора и следующей за ним четвертьволновой фазовой пластинки в качестве компенсатора). В скрещенном виде поляризаторы с линейной поляризацией позволяют увидеть в проходящем свете, как изменяется поляризация прозрачными средами. Подобный эффект можно наблюдать также с последовательно установленными поляризаторами, которые имеют правую и левую циркулярную поляризацию. Например, между ними можно положить прозрачные кусочки полиэтилена, пластиковую линейку, минерал или стекло (но обычно в стекле внутренняя анизотропия менее выражена, чем в полимерах).
Свет, проходящий через атмосферу, также имеет частичную поляризацию, и её можно наблюдать используя только один поляризатор. Для этого нужно рассматривать яркие объекты неба (такие как облака или луна). Свет ЖК-дисплея также остается частично поляризованным. Некоторые люди способны улавливать различную поляризацию жёлтого и синего излучения, этот эффект был открыт австрийским физиком Хайдингером (W. R. Haidinger) и назван в его честь.
Поскольку при отражении свет также поляризуется, то вместо поляроида можно использовать обычное стекло, затемненное с одной стороны. Наблюдать источник надо под углом Брюстера, в этом случае свет практически полностью будет линейно поляризован.
Литература[править | править код]
- Техническое описание поляриметра ПКС-125
- Шишловский А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961
- Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. Л., 1951
- Уильямс Б., Уилсон К., Методы практической биохимии, Мир, 1978
- В.С.Камышников, СПРАВОЧНИК по клинико биохимическим исследованиям и лабораторной диагностике, МЕДпрессинформ, 2009
- В.В.Меньшиков, СПРАВОЧНИК Лабораторные методы исследования в клинике, МОСКВА „МЕДИЦИНА», 1987
Ссылки[править | править код]
- ГОСТ 23778-79 Измерения оптические поляризационные. Термины и определения.
- Статья из Большой советской энциклопедии
- Методические указания к лабораторным работам по курсу «Оптическая Технология»
См. также[править | править код]
- Поляриметрия
- Поляризация света
- Поляризатор
- Поляроид
- Фотоупругость
- Угол Брюстера
- Оптическое стекло
- Жидкие кристаллы
- Источники света