Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПОЛЯРИЗАЦІЙНО-ОПТИЧНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ

Поляризація світла - це фізична характеристика оптичного випромінювання, що описує поперечну анізотропію світлових хвиль, тобто нееквівалентність різних напрямків в площині, перпендикулярній світловому променю.

Перші вказівки на поперечну анізотропію світлового променя були отримані X. Гюйгенсом (Н. Huygens - нідерландський вчений, 1629-1695) в дослідах з кристалами нульової шпату, а термін «поляризація світла» був введений І. Ньютоном (J. Newton - геніальний англійський вчений , 1643-1727).

Світло, яке випромінюється яким-небудь окремо взятим елементарним випромінювачем (атомом, молекулою), в кожному акті випромінювання завжди поляризований. Але макроскопічні джерела світла складаються з величезної кількості таких частинок-випромінювачів, тому в загальному випромінюванні напрямки векторів напруженостей електричного Е і магнітного Я нуля непередбачувані і хаотичні. Подібне випромінювання називають неіолярізованним, або природним, світлом (рис. 6.18, а).

Світло називають повністю поляризованим, якщо дві взаємно перпендикулярні компоненти (проекції) вектора Е світлового пучка роблять коливання з постійною в часі різницею фаз (рис. 6.18, б).

Напрямок коливань вектора Е світла

Мал. 6.18. Напрямок коливань вектора Е світла:

а - неполяризоване; 6 - поляризований (площину малюнка перпендикулярна до напрямку поширення світла)

ГОСТ 23778-79 розрізняє такі прилади для поляризаційних оптичних вимірювань. Поляриметр - вимірює кут обертання площини поляризації оптично активною речовиною при випромінюванні певної довжини хвилі. Спектрополяриметр - вимірює кут обертання площини поляризації в залежності від довжин хвиль оптичного випромінювання в заданому інтервалі довжин хвиль. Магнітополяриметри - вимірює кут обертання площини поляризації речовиною, що знаходиться в магнітному полі, для оптичного випромінювання певної довжини хвилі. Спектромагнітопо- ляріметр - вимірює кут обертання площини поляризації речовиною, що знаходиться в магнітному полі, в залежності від довжини хвилі випромінювання в заданому інтервалі довжин хвиль. Еліпсометрія - вимірює азимут і еліптичності поляризованого оптичного випромінювання певної довжини хвилі. Спектроелліпсометр - вимірює азимут і еліптичності поляризованого оптичного випромінювання в залежності від довжин хвиль випромінювання в заданому інтервалі довжин хвиль. Магнітоелліпсометр - вимірює азимут і еліптичності еліптично поляризованого оптичного випромінювання після взаємодії з речовиною, що знаходиться в магнітному полі, для випромінювання певної довжини хвилі. Полярометр - вимірює ступінь поляризації частково поляризованого оптичного випромінювання.

Речовини, що викликають поворот площини поляризації, називають оптично активними. Всі вони існують в двох різновидах - ліво і правовращающей.

Оптично активними є речовини, молекули яких не мають центру або площині симетрії. До їх числа відносяться молекули більшості органічних сполук (білки, амінокислоти, нуклеїнові кислоти і ін.), Які все в тій чи іншій мірі виявляють оптичну активність.

Якщо синтетичним шляхом виготовити аналогічну речовину, наприклад цукор, то воно не буде оптично активним. Синтетично виходить суміш, яка містить рівну кількість право- і левовращающіх молекул. Всі речовини в неживій природі з несиметричними молекулами існують у вигляді таких сумішей.

Асиметрія оптичної активності характерна тільки для біологічної речовини і продуктів органічного походження. Причини асиметрії оптичної активності у живих істот не цілком ясні. Можливо, що ця асиметрія виникла випадково і потім була закріплена механізмом спадковості.

Для контролю концентрації розчинів цукру, нікотину, камфори, скипидару та інших речовин, що володіють властивостями обертання площини поляризації, використовують поляризатори, в основу роботи яких покладено закон Біо (JB Biot - французький фізик, 1774-1862)

де ф - кут повороту площини поляризації світла, що пройшло через розчин; а - постійна обертання; d - товщина шару досліджуваного розчину.

Структурна схема поляриметра показана на рис. 6.19.

Структурна схема поляриметра

Мал. 6.19. Структурна схема поляриметра:

1 - джерело світла; 2 - фільтр; 3 - поляризатор; 4 - кювета з досліджуваним речовиною; 5 - модулятор; 6 - аналізатор; 7 - фотоприймач; 8 - вторинний

прилад

Призначення фільтра 2 і поляризатора 3 складається в отриманні монохроматического лінійно поляризованого випромінювання, яке взаємодіє з досліджуваним розчином в кюветі і перетворюється аналізатором в світловий потік відповідно до закону Мал юса (Е. Malus - французький фізик, 1775-1812), що має вигляд

де Ф, Ф 0 - світловий потік на виході і вході в поляризатор відповідно; р - кут між головними площинами поляризатора і аналізатора; т ± - коефіцієнт пропускання поляризатора і аналізатора при р = 90 °.

Щоб контролювати концентрацію розчину, поляризатор орієнтують під кутом р = 90 °, домагаючись мінімуму потоку Ф 0 . Потім на шляху світлового променя встановлюють кювету з досліджуваним речовиною і поворотом аналізатора знову встановлюють мінімальний потік Ф. Кут повороту аналізатора відповідає розі обертання площини поляризації ф. У сучасних приладах похибка його вимірювання складає ± (0,02-0,03) ° і визначається в основному малої чутливістю фотоприймача в області гасіння світлового потоку. В іншому варіанті приладу площину поляризації розгойдують за допомогою модулятора, що встановлюється перед кюветой.

Портативний поляриметр (рис. 6.20) призначений для вимірювання кута обертання площини поляризації оптично активними прозорими і однорідними розчинами і рідинами.

портативний поляриметр

Мал. 6.20. портативний поляриметр

Він складається з головки аналізатора, поляризационного пристрої, сполучної трубки з дзеркалом, трубки для розчинів, кронштейна. Діапазон вимірювань кута обертання площини поляризації від -20 до 20 °, межа допустимої основної похибки - ± 0,1 °.

Цифровий поляриметр показаний на рис. 6.21.

цифровий поляриметр

Мал. 6.21. цифровий поляриметр

Він має діапазон вимірювань -89,99-89,99 ° (-130-130 Z з міжнародної цукрової шкалою) і похибка ± 0,01 ° (± 0,01 Z).

За допомогою спектрополяриметр отримують залежність кута обертання площини поляризації від довжини хвилі. При відсутності смуг поглинання в спектральній кривій Ф = / (А,) функція (р = / (А) наростає зі зменшенням А. В смугах поглинання крива обертальної дисперсії ф зазнає різкі зміни. Амплітуда і знак цих змін дозволяють судити про склад речовини або його відхиленнях від зразкового.

На відміну від поляриметрів, спектрополяріметри мають монохроматор зі змінними гратами, що забезпечують роботу в спектральному діапазоні 0,2-25 мкм. У приладах цей діапазон зазвичай дорівнює 0,18-0,7 мкм. Діапазон вимірюваних кутів сучасних спектроноляріметров становить 0,02-90 °, а похибка вимірювання - ± (0,001-0,01) °.

При проходженні поляризованої хвилі через речовина, поміщена під зовнішнє поздовжнє магнітне поле, відбувається поворот площини поляризації

де h B ~ 1 / Х - константа Верде (М. Verdet - французький математик, 1824-1866), або питомий магнітне обертання (ця константа залежить від типу оптичних матеріалів і довжини хвилі); Н - напруженість зовнішнього поля; d - довжина шляху поширення світла в речовині (довжина кювети).

Для розчинів (р = h B CHd , тобто кут обертання однозначно пов'язаний з концентрацією С. Поза смуги поглинання розчину крива дисперсії оптичного обертання в магнітному полі Н має плавний характер. У смузі поглинання спостерігається стрибок ф (> с), форма якого помітно відрізняється від пара- і діамагнітних речовин.

Прилади, що дозволяють отримати залежність (р (А,), називають маг - нітоспектрополяріметрамі. Вони відрізняються від спектроноляріметров наявністю магніту, в поле якого поміщають досліджувану речовину. Їх робочий діапазон становить 0,22-0,6; 0,437-0,633; 10,6 мкм, а похибка доведена до ± 0,0004 °.

Еліпсометрія використовують для контролю оптичних і електричних параметрів об'єкта контролю (показника заломлення п , показника поглинання%, ДП в), дослідження смогу, туману, оцінки розмірів частинок колоїдних розчинів і аерозолів і багато чого іншого. Принцип їх дії заснований на порівнянні стану поляризації світла, що падає на контрольоване речовина і відбитого від нього (або що пройшов через нього).

завдання

6.4.1. Ступінь поляризації частково поляризованого світла становить Р = = 0,75. Визначте відношення максимальної інтенсивності світла, що пропускається аналізатором, до мінімальної.

Рішення

звідки тах = 7.

^ min

6.4.2. Визначте питоме обертання площини поляризації рафінози З 18 Н 32 0 16 Н 2 0, якщо розчин, що містить 5 г рафінози, при довжині кювети 25 см обертає площину поляризації вправо на 1,3 °.

Рішення

6.4.3. Визначте масову концентрацію розчину цукру, якщо при проходженні світла через кювету довжиною / = 20 см з цим розчином площину поляризації світла повертається науголф = 10 °. Постійна обертання цукру 1,1710 _2 Радміла 2 / кг. Рішення

6.4.4. Питоме обертання площини поляризації нікотину З 10 H 14 N2 для жовтої лінії натрію дорівнює 162 °. Визначте концентрацію розчину нікотину (моль / л), який в кюветі довжиною 10 см переломлює на 0,52 °. Рішення

звідки

де 162 - маса 1 благаючи нікотину.

6.4.5. Питоме обертання площини поляризації виноградного цукру при різних довжинах хвиль має наступні значення:

довжина хвилі, нм 447 479 508 535 656

питоме обертання, 0 96,52 83,88 73,61 65,35 41,89

Визначте питоме обертання площини поляризації жовтої (589 нм), синьою (486 нм) і фіолетовою (434 нм) ліній Н 2 .

Відповідь: а 589 = 52 ° Г, а 486 = 80 °, а ш = 104 °.

6.4.6. Питоме обертання площини поляризації стрихніну в розчині спирту при 20 ° С дорівнює -104 °. Визначте концентрацію стрихніну, якщо для кювети довжиною 25 см кут обертання площини поляризації дорівнює -1,56 °.

Відповідь : 6,0 г / л.

6.4.7. Для розчинів, що містять 3,5 і 6,8 г аскорбінової кислоти в 25 мл розчину, отримали але шкалою клинового поляриметра відліки 6,7 і 13,4 мм. Визначте концентрацію розчину аскорбінової кислоти (моль / л), якщо відлік за шкалою поляриметра дорівнює 10,33 мм.

Відповідь-. 0,716 М.

6.4.8. + Яблучна кислота обертає площину поляризації вправо, а -яблочная кислота - вліво. Питоме обертання площини поляризації для обох кислот одно 2,3 °. Визначте концентрацію -t-яблучної кислоти в розчині, кут обертання площини поляризації якого дорівнює + 0,8 °, якщо сумарну концентрацію кислот умовно прийняли дорівнює одиниці.

Відповідь-. 6,7 г / л.

6.4.9. Розчин глюкози концентрацією С, = 0,21 г / см 3 переломлює монохроматичного світла, що проходить через розчин, на кут ср, = = 24 °. Визначте концентрацію С 2 глюкози в іншому розчині в цій кюветі, якщо він повертає площину поляризації на кут ср 2 = 18 °.

Відповідь: З 2 = 0,157 г / см 3 .

6.4.10. Розчин цукру з концентрацією 0,3 г / см 3 обертає площину поляризації монохроматичного світла на 25 °. Визначте концентрацію розчину цукру в інший такий же кюветі, якщо він повертає площину поляризації на 20 °.

Відповідь: 0,24 г / см 3 .

6.4.11. Розчин глюкози концентрацією 0,28 г / см 3 , що знаходиться в скляній кюветі, переломлює монохроматичного світла, що проходить через цей розчин, на кут ср = 32 °. Використовуючи закон Малюса, визначте концентрацію розчину в інший такий же кюветі, якщо він обертає площину поляризації на кут (р = 24 °.

Відповідь: 0,21 г / см 3 .

6.4.12. Кут повороту площини поляризації жовтого світла при проходженні через кювету з розчином цукру дорівнює ср = 40. Довжина кювети дорівнює 15 см, величина питомого обертання цукру а = 66,5 град / (дм-г / см 3 ). Визначте концентрацію цукру в розчині.

Відповідь: 0,4 г / см 3 .

6.4.13. Нікотин (чиста рідина) в скляній кюветі довжиною 8 см переломлює жовтого світла натрію на кут ср = 137 °. Щільність нікотину р = 1,01103 г / м 3 . Визначте величину питомої обертання нікотину а.

Відповідь: ос = 169 град-см 3 / (дм г).

6.4.14. Кут ср повороту площини поляризації жовтого світла натрію при проходженні через кювету з розчином цукру дорівнює 40 °. Довжина кювети - 15 см, величина питомого обертання цукру а = 1,17-10-2 радий-м 3 / (кг-дм).

Відповідь: 0,4 г / см 3 .

6.4.15. Визначте кут повороту площини жовтої лінії натрію в сероуглероде під дією магнітного поля 10 кгс. Довжина кювети - 3 см. Постійна обертання в магнітному полі (постійна Верде) сірковуглецю - 0,42 '.

Відповідь: 21 °.

Контрольні питання і завдання

  • 1. Що таке поляризація світла?
  • 2. Чи можна «на око» відрізнити поляризоване світло від неполяризованого?
  • 3. Що таке площина поляризації?
  • 4. Що таке оптична активність?
  • 5. Розкажіть про прилади для поляризаційних оптичних вимірювань.
  • 6. Сформулюйте закон Біо.
  • 7. Запишіть закон Малюса.
  • 8. Що таке спектрополяриметр і як він працює?
 
<<   ЗМІСТ   >>