 |
Постановка экспериментальной задачи
|
|
|
|
При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества обнаруживается, что плоскость, в которой колеблется вектор 
, поворачивается. Это свойство называется ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ, а вещества, им обладающие, называются оптически активными. Естественную оптическую активность имеют некоторые кристаллы (например, кварц), некоторые жидкости и пары, а также растворы некоторых веществ в неактивных растворителях (например, раствор сахара в воде).
Если вещество вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, то его называют правовращающим, если против – то левовращающим. Интерпретация явления вращения плоскости поляризации впервые была предложена О. Ж. Френелем. Согласно этой теории линейно поляризованный луч распространяется в оптически активном веществе в виде двух лучей, имеющих разные скорости и поляризованные по левому и правому кругу (V L ¹ V R). Если V L > V R, то вещество является правовращающим, если V L < V R, то - левовращающим.
Вектор линейно поляризованного света можно разложить на векторы правого и левого циркулярно поляризованного света (рис.1.). Очевидно, что время, необходимое каждой волне для прохождения расстояния l в оптически активной среде, окажется различным. Следовательно, векторы L и R повернутся на различные углы jL и jR. (Условно выбрано j R >jL) Из рис.1 видно, что направление колебаний вектора = L + R в результирующей линейно поляризованной волне на выходе повернется по отношению к направлению колебаний в исходной волне на угол
Dj = (j R -jL)/2 (1)
В случае твердых тел величина угла поворота плоскости поляризации для света, характеризующегося длиной волны l, выражается формулой
b = [b ]l l, (2)
|
|
|
а для растворов
a =[a ]l C l (3)
где [b]l и [a]l - удельные вращения, зависящие от природы вещества, температуры и длины волны l, l - толщина слоя, проходимого светом, С - концентрация растворенного вещества.
Соотношение (3) установлено в 1815 году Ж.Био и называется ЗАКОНОМ БИО.
Вращение плоскости поляризации обусловлено либо особенностями внутренней структуры вещества, либо взаимодействием вещества с внешним магнитным полем (эффект Фарадея).
Существуют вещества, которые проявляют оптическую активность в любых агрегатных состояниях (сахара, камфора, винная кислота). Некоторые вещества оптически активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь).
Оптическая активность обусловлена асимметричным строением молекул или кристаллов (рис.2.). Такие молекулы или кристаллы могут находиться в двух формах - «правой» и «левой». Названные две формы являются зеркально симметричными объектами, которые невозможно совместить друг с другом. Иллюстрацией служит рис.2, из которого видно, что объемную молекулу АВСД никакими поворотами невозможно совместить с ее зеркальным изображением А'В'С'Д'.
|
| Рис.1. Рис.2. |
«Левые» и «правые» молекулы называются оптическими изомерами, а кристаллы - оптическими антиподами.
Вращение плоскости поляризации обнаруживается и в растворах спиральных макромолекул (белков и синтетических полипептидов), поэтому метод вращения плоскости поляризации широко используется для оценки спиральности нативных и денатурированных белков.
Известно, что 19 из 20 наиболее жизненно важных аминокислот оптически активны. При этом белки живых организмов являются левыми оптическими изомерами аминокислот. Синтезированные искусственно белки из правых аминокислот не усваиваются организмом. Последнее обстоятельство пока не нашло удовлетворительного объяснения, но, по-видимому, этот факт имеет фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.
|
|
|
Работа состоит из двух частей. Первая часть – определение концентрации сахара в растворе - выполняется на сахариметре. Вторая часть - исследование зависимости угла поворота плоскости поляризации от длины волны – выполняется на поляриметре. Сахариметр – это одна из разновидностей поляриметра, предназначенная для узких целей – определения концентрации оптически активного вещества в растворе.
Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Формула (3) позволяет по результатам измерения угла поворота плоскости поляризации определять концентрацию оптически активного вещества в растворе. Для определения концентрации сахара в воде даже существуют специальные приборы - сахариметры. Исторически сложилось так, что лимбы сахариметров проградуированы по шкале Вентцке. 1000V этой шкалы соответствуют вращению, которое дает раствор, содержащий 26,026 граммов чистой сахарозы в 100см3 воды в кювете длиной 2дм. Лабораторный сахариметр также проградуирован по шкале Вентцке. Для того чтобы найти концентрацию сахара (в граммах на 1см3 раствора), пользуются формулой
C = 2a k /100 l (4)
где l - длина кюветы, дм; k - коэффициент, зависящий от вида сахара (для сахарозы k = 0,26026), a - отсчет по шкале сахариметра, характеризующий угол поворота плоскости поляризации в градусах Вентцке (0V). Значения k для некоторых других веществ приведены в таблице (см.с.50).
В сахариметре однократной компенсации (СОК) вращение плоскости поляризации, вызванное исследуемым раствором, компенсируется с помощью кварцевых клиньев. Основными частями сахариметра являются (рис.3) две поляризационные призмы (одна из них называется поляризатором П, другая - анализатором А). Они закреплены неподвижно. Между поляризатором и анализатором размещаются кювета L с исследуемым раствором и кварцевые клинья К.
| |||
| Рис.3 Рис.4 |
Для измерения поворота плоскости поляризации служит компенсатор, две части которого выполнены в виде клиньев из право- и левовращающего кварца. Заранее отградуированный компенсатор устанавливается в такое положение, когда вращение вектора Е в растворе компенсируется противоположным вращением при прохождении поляризованного света через кварцевые клинья компенсатора.
|
|
|
Смещение клиньев осуществляется кремальерой, расположенной внизу головки, и отсчитывается по шкале с нониусом. Так как дисперсия (зависимость угла вращения от длины волны) кварца практически совпадает с дисперсией сахаров, то компенсация при помощи клиньев происходит одновременно почти для всех длин волн света. Это позволяет применять в качестве источника белый свет.
Один окуляр зрительной трубы служит для установки кварцевых клиньев в положении компенсации, а другой окуляр для отсчета показаний шкалы. Имеется приспособление для освещения шкалы прибора.
Для повышения точности измерений в поляриметрах компенсаторы устанавливают так, что малые яркости двух (или трех) полей сравнения, на которые разделено поле зрения прибора, одинаковы. С этой целью поляриметры снабжают полутеневым устройством - поляризатором особой конструкции. Для этого поляризационная призма разрезается пополам вертикальной плоскостью (рис.4). Образовавшиеся грани сошлифованы на небольшой угол, после чего призма вновь склеена.
Свет, выходящий из призмы, разделяется на два линейно поляризованных пучка, поляризации которых составляют между собой малый угол g» 30(рис.5). В результате этого поле зрения разделяется на две половины, с четкой границей между ними. Если направление разрешенных колебаний А анализатора перпендикулярно П1, то он не пропустит свет, прошедший через П1. При этом одна половина поля зрения будет темной, а другая - слабоосвещенной.
|
| Рис.5. |
Если А перпендикулярно П2, то другая половина поля зрения будет темной. Если направление разрешенных колебаний А анализатора расположено симметрично относительно П1 и П2 - плоскостей поляризации обеих половин пучка, то оба поля зрения имеют одинаковую небольшую освещенность (рис.5).
При введении в прибор кюветы с оптически активным веществом фотометрическое равенство нарушается. Перемещением компенсатора равенство освещенностей можно восстановить.
|
|
|
Угол поворота плоскости поляризации определяется по разности отсчетов, соответствующих фотометрическому равенству при наличии оптически активного раствора и без него.
|
|
|
