ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА

Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны. Колебания электрического и магнитного векторов происходят во взаимно-перпендикулярных направлениях и перпендикулярно к направлению. распространения волны. Световые волны являются поперечными волнами.

У естественного луча плоскость колебаний электрического, (а следовательно и магнитного) вектора хаотически меняется. Если эта плоскость колебаний сохраняет неизменное положение, то луч света называется поляризованным.

Поляризованный луч может быть получен различными способами; наиболее распространенным является применение так называемой призмы Николя, изготовленной из кристалла исландского шпата. Если на такую призму падает естественный луч света, то из нее выходит поляризованный. Пусть поляризованный луч света, прошедший николь N₁ (поляризатор) падает на второй николь N₂ (анализатор), поставленный за первым (рис.1)

Если николь N₂ поставлен так, что плоскость колебаний луча проходящего, параллельна плоскости колебаний падающего поляризованного луча J₀, то последний пройдет через николь N₂ без ослабления.

Если николь N₂ поставлен так, что плоскость колебаний луча,
проходящего через него перпендикулярна плоскости колебаний падающего поляризованного луча J₀, то последний через николь N₂ не пройдет. В общем случае, (если николь N₂ поставлен так, что плоскость колебаний луча, проходящего через него, образует с плоскостью колебаний падающего поляризованного луча некоторый угол α), то интенсивность света, прошедшего через николь N₂, связана с интенсивностью падающего на него света, соотношением

J₂ = J₀ cos² α (1)

Это соотношение выражает так называемый закон Малюса.

Если в пространство между двумя скрещенными николями (или поляроидами) поместить сосуд с раствором сахара, (рис. 1), то в монохроматическом свете наблюдается просветление поля, которое, однако, возможно вновь погасить, вращая анализатор на некоторый угол. Это явление объясняется способностью раствора сахара вращать плоскость поляризации и носит название вращения плоскости поляризации. Вещества, обладающие этим свойством, называют, оптически активными. К их числу принадлежит ряд жидких и твердых органических веществ: нефть, винная кислота, а также некоторые минералы – кварц, киноварь и другие.

Различают вращение правое или положительное, когда вещество вращает плоскость поляризации по стрелке часов для пучка света, падающего в глаз наблюдателя, и левое, или отрицательное, при вращении плоскости поляризации в обратном на­правлении. В случае твердого вещества угол вращения пропор­ционален толщине проходимого светом слоя, а в случае раствора кроме толщины слоя, он пропорционален еще концентрации активного вещества раствора. Кроме того, угол поворота зависит от длины волны падающего света.

α = к · С· d (2)

Здесь α – угол поворота,

d - толщина слоя,

С -концентрация раствора,

к - коэффициент, который определяет удельное вращение данного вещества. Данный коэффициент называется постоянной вращения.

к обратно пропорциональна квадрату длины волны (к~1/λ²).

Соотношение (2) носит название закона Био.

Пусть два николя N₁ и N₂ скрещены и не пропускают свет; поместим между ним слой раствора сахара (рис 1). Тогда плоскость колебаний поляризованного луча, вышедшего из николя N₁ при прохождении раствора сахара повернется на некоторый угол. Плоскость колебаний луча, проходящего через николь N₂ не будет уже перпендикулярна к плоскости колебаний падающего луча света, через николь будет проходить свет. Чтобы николи опять не пропускали свет, надо николь N₂ повернуть на некоторый угол вслед за повернутой плоскостью колебаний луча, проходящего через раствор сахара. Из формулы (2) можно определить концентрацию раствора сахара

- концентрация раствора (3)

Итак, для нахождения концентрации раствора сахара достаточно измерить угол вращения плоскости колебаний луча света, проходящего через слой этого раствора определенной толщины. Кроме того, необходимо знать значение коэффициента пропорци­ональности к.

Основной частью установки является поляриметр. Его ос­новными частями (рис.2) являются два николя N₁ и N₂ рас­положенные в металлической трубке, поддерживаемой штативом. На николь N₁, падает естественный луч света от источника. Поляризованный луч света, вышедший из николя N₁, падает на николь N₂, могущий поворачиваться при помощи кремальеры К вокруг оси прибора. Углы поворота николя N₂ отсчитываются при помощи нониуса по раздельному градусному лимбу L.

Установить николь в положении перекрещивания по наблюдениям изменения интенсивности прошедшего через них света с большой точностью невозможно.

Поэтому для повышения точности наблюдений в поляриметр вводятся добавочные оптические части. Поле зрения в таком поляриметре кажется разделенным на две половины. Второй николь вращается до тех пор, пока обе половинки поля зрения не приобретут пурпурную окраску и не покажутся освещенными одинаково ярко; малейший поворот николя N₂ клемарьерой К, должен нарушить одинаковую яркость обеих половинок ("чувствительная установка"). Часть стенки корпуса прибора может откидываться на петлях; через образовавше­еся, таким образом, окно между николями поляриметра ста­вится специальная металлическая трубка, наполненная ис­пытуемым раствором сахара. Оба торца трубки закрываются прозрачными стеклянными пластинами; последние прижимаются к торцам трубки при помощи навинчивающихся металлических обойм. Расстояние между стеклянными пластинками определяет толщину слоя раствора сахара. Для удобства измерения этого расстояния на металлических обоймах снаружи нанесены кольцевые риски.