Реферат: Поляриметрические методы анализа

Исполнитель:

студент группы Ф-54

Д.С. Киселев

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор

В.В. Сытько

Рецензент:

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.

Содержание
Стр.
Введение………………………………………………………………..	4
1	Поляризация света и связанные с ней явления…………………...	5
1.1	Поляризация света……………………………………………………...	5
1.2	Хроматическая поляризация света……………………………………	8
1.3	Двойное лучепреломление…………………………………………….	9
1.4	Оптическая активность вещества……………………………………..	12
2	Поляризационные устройства и приборы………………………….	15
2.1	Простейшие поляризационные устройства…………………………..	15
2.2	Поляризационные призмы……………………………………………..	16
2.3	Приборы для поляризационно-оптических исследований…………..	19
3	Методические указания к выполнению лабораторной работы “Поляриметрическое определение концентрации вещества в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”………………………………………………….	25
Заключение…………………………………………………………….	30
Список использованных источников………………………………	31

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 d a/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 ⁰ С и стандартной длине волны 589,3 нм (D-линия Na). Один из вариантов закона Био для растворов связывает все эти параметры уравнением a_D ²⁰ =a(lr⁽²⁰⁾ ), l – длина кюветы, r⁽²⁰⁾ – плотность жидкости при 20 ⁰ С. 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 Е в 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=±n p, где n – целое число, эллипс вырождается в отрезок прямой – рисунки 1.2а и 1.2д) и круговая (циркулярная) поляризация (Dj=±(2n +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).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--