49883

Использование эффекта оптической активности для измерения физических величин

Курсовая

Физика

Очень интересно явление вращение плоскости поляризации света при его прохождении через среду. Свойство вещества поворачивать плоскость поляризации света называется естественной оптической активностью. Оптическая активность способность вещества: твердого жидкого или газа ─ вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Он же установил что: а угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества или его раствора и концентрации с этого вещества:...

Русский

2014-01-11

375 KB

36 чел.

Использование эффекта оптической активности для измерения физических величин

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ;                                                                                                  4

1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ;           5

1.1     Оптическая активность;                         5

1.2 Эффект Фарадея. Основные свойства эффекта;             12

1.3      Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея;                      14

1.4 Объяснение эффекта циркулярным магнитным

двупреломлением;                                                                                        16

1.5 Вычисление разности показателей преломления;                            17

2 ПОЛЯРИМЕТРИЯ;        18

2.1    Основные положения метода;                                  18

2.2     Поляризатор. Поляризацио́нный   фильтр;    23

2.3 Особые шкалы поляриметров;          25

3         ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ САХАРА В         РАСТВОРАХ, САХАРИМЕТР;                                                                    26

4 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ;      27

4.1       Зависимость температуры оптической активности физиологических  растворов сахаров;                                                                        28

4.2 Мешающие факторы при поляриметрических измерениях;  29

5        ЗАКЛЮЧЕНИЕ;                                                                                   31

6        СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.                         32


          ВВЕДЕНИЕ

         Объяснение многих явления, возникающих при взаимодействии света и вещества, например, явление дисперсии, рассеяния и другое, достигается благодаря открытию волновой, электромагнитной природы света. Очень интересно явление вращение плоскости поляризации света при его прохождении через среду. Свойство вещества поворачивать плоскость поляризации света называется естественной оптической активностью. Этим свойством, как оказалось, обладают некоторые жидкости, растворы многих веществ, а также некоторые кристаллы. Такие вещества получили название естественно активных веществ.

       Широкие классы веществ, в особенности органические, обнаруживают оптическую активность. Характер дисперсии оптической активности весьма чувствителен к различным факторам, определяющим внутри- и межмолекулярные взаимодействия. Поэтому методы, основанные на измерении оптическая активности, широко используются в физических, химических, биологических и др. научных исследованиях и в промышленности.

           

1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

           1.1  Оптическая активность.

        Оптическая активность, способность вещества: твердого, жидкого или газа ─ вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Такие вещества называются оптически активными. Поворот происходит либо вправо (по часовой стрелке), либо влево (против часовой стрелки), если смотреть навстречу ходу лучей света. оптическая активность обладают энантиомеры, а также энантиоморфные формы кристаллов ахиральных веществ при хиральном расположении их молекул в кристаллической  решетке (напр., кварц. мочевина). От этой естественной оптическая активность хиральных сред отличают наведенную оптически активных ахиральных веществ, которая появляется в них в магн. поле (Фарадея эффект) или при контакте с хиральными молекулами (эффект Пфейфера). Впервые оптическая активность  обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 Ж. Б. Био открыл оптическую активность чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических, веществ. Он же установил что:

а) угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества:

                                                   j = [a] lc,                                                              (1)

где коэффициент [a]    называется удельной оптическая активность.

б) оптически-активные вещества, проявляющие естественную оптическая активность разделяют на правовращающие [положительно вращающие, (d), j > 0] и левовращающие [отрицательно вращающие, (l), j < 0]. Это условное деление применимо в широких интервалах длин волн излучения. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) поглощения среды; в 1896 французский учёный Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же веществе j имеет различные знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения.

        Ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется в двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея ─это вращение плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Напряженности магнитного поля пропорциональна углу поворота при направлении магнитного поля вдоль луча. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

      Для некоторых веществ, оптически активных лишь в кристаллическом состоянии (кварц, киноварь и пр.) удельная оптическая активность обозначается просто a и формула Био записывается в виде

j = al                                                        (2)

       Ещё существует искусственная ,  или наведённая,  оптическая активность, проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. В эффекте Фарадея знак вращения зависит как от магнитных свойств среды,  так и от того, вдоль поля или против него распространяется излучение. Это связано с особым характером магнитного поля (определяющие его величины являются псевдовекторами, или осевыми векторами). Если линейно-поляризованный свет, прошедший через слой вещества с естественной оптическая активность, отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восстанавливается исходная поляризация, тогда как в среде с наведённой оптическая активность в аналогичном опыте угол поворота удвоится.

    В 1823 О. Ж. Френель предложил  макроскопическую теорию оптической активности, объяснивший оптическую активность различием преломления показателей среды n+ и n– для право- и левополяризованных по кругу световых волн. Полученное Френелем выражение имеет вид

 j = p·l /l(n+ – n–),                                                          (3)

где l — длина волны излучения в вакууме; т. о., j может быть значительным даже при очень малом различии n+ и n–, если l, как это обычно, бывает много больше l. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении Оптическая активность (например, при определении различий в показателе преломления в 10 000 раз точнее самых точных измерений с помощью интерферометров).

  Большой вклад в изучение оптической активности внёс учёный Луи Пастер.

                                       Рисунок.1 Луи Пастер(портрет)

Пастер показал, что оптическая деятельность правой и левой винной кислот стоит в связи с различием в их кристаллической форме; вместе с тем ему удалось разложить виноградную кислоту на правую и левую (см.) винные кислоты и таким образом правильно объяснить ее природу и ее оптические свойства. Оптическую активность правой и левой винных кислот Пастер свел на дисимметрию их молекул.

В 1915 году учёный-физик М. Борн  смог на базе своего подхода дать полное описание явления оптической активности кристаллов, связав этот эффект со структурами, обладающими определённой степенью симметрии. С этой работой связано изучение оптической активности жидкостей и газов, проведённое Борном в том же году. Ему удалось впервые показать, что молекулы вещества, обладающего оптической активностью, должны содержать как минимум четыре атома. А шведский физик К. В. Озеен показал, что наряду с асимметрией молекул следует учитывать несинфазность микротоков, наведённых полем световой волны в разных частях молекул (при всей малости a/l).

          Квантовую теорию оптической активности паров построил в 1928 бельгийский учёный Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций современной науки теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (происходящие на расстояниях ~а). Для объяснения оптической активности оказалось необходимым учитывать как электрический, так и магнитный дипольные моменты, наводимые в молекуле полем проходящей волны. Теория оптической активности молекулярных сред, активных лишь в кристаллической фазе, тесно связана с теорией экситонов, т.к. оптическая активность этих кристаллов определяется характером волн поляризации в них. Современные теории оптическая активности качественно правильно описывают это явление, однако количественная теория дисперсии оптической активности сталкивается со значительными трудностями в связи со сложностью изучаемых объектов.

Оптически активные вещества — среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптически активные вещества подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).Есть ещё и другое определение оптически активных веществ: Оптически активными называются вещества, после прохождения через которые плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на некоторый угол  (φ).

                  

Рисунок 2 – Изменение плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через оптически активные вещества.

Формула для нахождения угла поворота плоскости поляризации:

                                               φ = α·d (град)                                                          (4)

где α - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света. Зависимость постоянной вращения от длины волны называется вращательной дисперсией.

                                               φ=[α]·С·d (град)                                                      (5)                                       

где [α] - удельная постоянная вращения вещества, (град-см2/г). Соотношение (3) выражает  закон   Био.

Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы). Оптической активности правой и левой форм оптически активных веществ 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы оптически активных веществ 1-го типа).

Молекулы правого и левого оптически активных веществ 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия, Стереохимия), то есть по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (оптически активные вещества 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствие какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента — всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически.

Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах. И связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к оптически активным веществам 1-го типа термины «левый» и «правый» — L и D — условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов — l и d — для Оптически активных веществ 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».)

       Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусственным путём из D-аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L-никотин в несколько раз ядовитее D-никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

         1.2  Эффект Фарадея. Основные свойства эффекта.

         Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году.

Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма. Опираясь в том числе на работы профессора У. Томсона, который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера. Исследование, проведенное Д. К. Максвеллом, приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:

-толщине вещества

-составляющей магнитной силы параллельной лучу

-показателю преломления луча

-обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе

-среднему радиусу магнитных вихрей

        -емкости магнитной индукции (магнитной проницаемости)

Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны, и действуют похожим образом.

      Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты (например, Герцем), однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.

Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:

  "Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории".

Таким образом, эффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света.

        Рисунок 3 – Схема наблюдения эффекта Фарадея.

       Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рисунке 2. Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу α поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

1.3      Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея:

Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными (n+ и n- ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны ƛ , прошедшего в среде путь l , поворачивается на угол:

                                                                                                                                                                  (6)                                                             

В области не очень сильных магнитных полей разность n+ и n- линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением:

                                                                                                     (7)

где ʋ— постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.

   Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

        Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его не взаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное (на пути "назад") дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда".

  Данный эффект используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи.

     

     1.4  Объяснение эффекта циркулярным магнитным двупреломлением.

      Согласно Френелю, поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двупреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями:

                                                        E=E0·e-iωt                                                        (8)

для правого вращения (по часовой стрелке) и

                                                        E=E0·eiωt                                                         (9)

для вращения против часовой стрелки. Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения. Пусть показатели преломления для правой и левой циркулярной поляризации неодинаковы. Введем средний показатель преломления n и отклонение от него Δn. Тогда получим колебание с комплексной амплитудой:

E = Enp + Eno = E0eω[t-z/c(n-Δn)] +  E0e-[t-z/c(n-Δn)] = 2 E0·eiωΔnz/c · cosω(t-z/c·n),   (10)

что соответствует вектору E, направленному под углом α к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении, равный:

                                                          α=                                                          (11)

    

  1.5  Вычисление разности показателей преломления.

       Из теории электричества известно, что система зарядов в магнитном поле вращается с угловой скоростью:

                                                     Ωл=                                                           (12)

которая называется скоростью прецессии Лармора.

       Представим себе что мы смотрим навстречу циркулярно поляризованному лучу, идущему через среду, вращающуюся с частотой Лармора; если направления вращения вектора E в луче и Ларморовского вращения совпадают, то для среды существенна относительная угловая скорость -Ωл,, а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна +Ωл.

Но среда обладает дисперсией и мы видим, что

                                                    Δn = Ωл                                                        (13)

Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости поляризации

                                                 Hl                                                  (14)

и для постоянной Верде

                                                  ν = ω                                                       (15)

           2 ПОЛЯРИМЕТРИЯ 

2.1  Основные положения метода

Поляриметрия — это оптический метод исследования, основанный на способности оптически активных соединений вращать плоскость колебания линейно поляризованного света. Поляриметрия относится к старейшим методам физического количественного анализа (закон Био был открыт в 1831 г.).

Смысл поляриметрии состоит в следующем:   атомы и молекулы светящихся тел излучают электромагнитные волны. При полной неупорядоченности в расположении этих частиц тела испускают так называемый естественный свет, в котором колебание векторов напряженности электрического (или магнитного) поля происходит во всех плоскостях, проходящих через направление распространения световой волны. Упорядоченность в направлении колебаний полей называется поляризацией света. Такой свет, в котором колебания напряженности электрических (магнитных) полей происходят в одной плоскости, называется плоско поляризованным светом, а плоскость, в которой колеблется напряженность магнитного поля световых лучей,— плоскостью поляризации. Поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через поляризующие призмы, изготовляемые из особых кристаллов. К таким кристаллам относятся кристаллы исландского шпата, из которых обычно и готовят поляризующие призмы (призмы Николя). При прохождении поляризованного света через раствор оптически активного вещества происходит вращение плоскости поляризации, но обнаружить его можно только при помощи второй такой же поляризующей призмы (анализатора). Исследование вращения плоскости поляризации используют для изучения строения оптически активных соединений, а также для количественного их определения.

В поляриметрии применяются специальные приборы, которые называются поляриметрами. Поляриметры — это приборы для определения концентрации и идентификации оптически активных веществ. Поскольку, существует масса различных областей применения, то конструкции поляриметров могут отличаться, но ключевые элементы одинаковы.

─Источник света — чаще это натриевая 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, тк наблюдать приходится монохроматический свет. Таким элементом может быть пластина из фильтрующего вещества или призма.

─Двух поляризаторов расположенных по обе стороны от анализируемого образца. Часто, один из них, это поляроид, а второй либо поляроид, либо склеенная призма из исландского шпата.

─Пластин-компенсаторов, толщиной кратной длине волны или четверть-волны, для подбора метода измерений.

─Измерительное устройство — лимб или электронный датчик.

Несмотря на сложность конструкции промышленных поляриметров, наблюдать поляризацию можно используя лишь один или два поляроида. Эти пластины используются для визуализации жидких кристаллов (в калькуляторах и ЖК-дисплеях), одна из них помещается сверху стёкол с кристаллами, другая — снизу. Хотя сейчас уже можно приобрести поляроид для объектива. В скрещенном виде, они позволяют увидеть в проходящем свете как изменяется поляризация прозрачными средами. Например между ними можно положить кусочки полиэтилена или пластиковую линейку. Свет, проходящий через атмосферу, также имеет частичную поляризацию, и ее 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 желтого 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.

         Поляриметр применяется 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.

Рисунок 4 ─ Автоматические поляриметры с фотоэлектрической регистрацией.

Линейно поляризованный свет можно представить как результат наложения двух когерентных составных частей с круговой поляризацией, имеющих противоположные направления вращения. Векторы амплитуд обоих потоков волн с круговой поляризацией описывают противоположные по направлению винтовые траектории, имеющие одинаковую скорость, частоту и выходную фазу на прямой распространения. Так как оба потока между собой интерферируют, результирующий вектор амплитуды находится в одной плоскости.

Оптическая активность веществ очень чувствительна к изменениям пространственной структуры молекул и к межмолекулярному взаимодействию. Поляризуемость атомов, ионов и молекул определяет степень межмолекулярного взаимодействия и его влияние на оптическую активность среды. Поляриметрия даёт ценную информацию о природе заместителей в органических молекулах, о строении комплексных неорганических соединений.

Оптическая активность сильнее, чем другие оптические явления, зависит от длины волны. Эта зависимость вызывается оптической вращательной дисперсией [2]. В спектральных областях при отсутствии абсорбции снижение длины волны усиливает вращение. В полосах абсорбции оптически активных соединений по аналогии с аномалиями коэффициента преломления имеют место аномалии вращения. Так как оптически активные вещества обладают круговым двойным преломлением, то они характеризуются двумя коэффициентами преломления nR и пь (для света с левой и правой круговой поляризацией), которые в полосах с абсорбцией могут быть представлены в виде комплексных чисел. Это свойство, которое называется круговым дихроизмом (различная абсорбция для света с левой и правой поляризацией), приводит к эллиптической поляризации первоначально линейно поляризованного света [3]. Аномалия вращения и круговой дихроизм обычно проявляются вместе (эффект Коттона), причем максимум кривой кругового дихроизма с малым спектральным смещением совпадает с точкой поворота кривой оптической вращательной дисперсии. Если аномалии дисперсии преломления вследствие небольшой величины эффекта не имеют практического значения в аналитической технике, то аномалии оптической вращательной дисперсии и кругового дихроизма могут использоваться в измерительной технике (спектральная поляриметрия) и имеют выдающееся значение при выяснении структуры в органической химии и особенно в биохимии.

Оптическая активность, как и преломление света, зависит от температуры. Она является результатом разности двух коэффициентов преломления, поэтому температурная зависимость ее в общем меньше, чем температурная зависимость самих коэффициентов преломления, и находится в пределах от 1 до 2-10~4/1°С. Исключение составляет инвертированный сахар, температурный коэффициент которого составляет 1,5-10~2/1 °С.

Температурный коэффициент для жидкостей в большинстве случаев отрицателен, т. е. вращение снижается с увеличением температуры. Для твердых тел он чаще всего положителен, например, для кварца он составляет 1,36- Ю-4 на 1 °С. Оптическая активность зависит также от вида и кислотности растворителя, причем даже может произойти изменение направления вращения. Зависимость оптической активности от концентрации определяется законом Био.

            2.2 . Поляризатор. Поляризацио́нный   фильтр

           Поляриза́тор — вещество, позволяющее выделить из электромагнитной волны (естественный свет является частным случаем) часть, обладающую желаемой поляризацией при пропускании его сквозь или отражении от поверхности, получая проекцию волны на плоскость поляризации. Они используются в поляризацио́нных фильтрах. В радиотехнике и в быту под поляризатором понимается устройство для преобразования вертикальной или горизонтальной поляризации в круговую (эллиптическую) или наоборот. В антеннах в качестве поляризаторов используют волноводы с вкрученными винтами.

           Поляризацио́нный   фильтр — устройство  для  получения  полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками. В фотографии поляризационные фильтры используются для достижения различных художественных эффектов (устранение бликов, затемнение неба).

            Устройство поляризационного фильтра:

            Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между ними плёнкой. Поляроидная плёнка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением.

          

           Поляризационные  фильтры применяется в фотографиях:

          Действие этих фильтров основано на эффекте поляризации электромагнитных волн, а также на эффектах вращения плоскости поляризации некоторыми веществами.

          Светочувствительный материал в фотографии не сохраняет информации о плоскости поляризации падающих на него волн электромагнитного излучения. Поляризационный фильтр линейной поляризации (англ. Linear Polarizer, LP). Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.

              Рисунок 5 ─  Пример использования поляризационного фильтра в фотографии. Максимальный эффект достигается при съёмке в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце.

           2.3 Особые шкалы поляриметров

Определяемая законом Био строго линейная зависимость между измеренной величиной поворота плоскости колебаний и протяженностью пробы позволяет для часто повторяющихся измерений при постоянной толщине пробы градуировать шкалы непосредственно в значениях концентраций. Кюветы с определенной толщиной пробы для часто встречающихся веществ поставляются с круговыми поляриметрами.

Для сахарозы, концентрация которой чаще всего определяется поляриметрическим способом, разработана специальная шкала, принятая в качестве международной. В ее основу, с учетом линейной области действия закона Био, положено растворение 26,00 г анализируемого вещества, содержащего сахарозу, в 100 мл воды при 20 °С. Эта концентрация принята за конечную точку линейной шкалы, разделенной на 100 частей при выбранной длине волны и толщине пробы. Значение угла поворота этого «нормального сахарного раствора» известным способом можно сопоставить с показаниями контрольных кварцевых пластин. Единицей измерения этой международной шкалы сахарозы является один градус сахарозы (1 *S), который при принятых условиях является не мерой измерения угла, а мерой измерения концентрации, непосредственно показывающей процентное содержание сахарозы относительно концентрации, принятой за 100 % .

             3            ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ САХАРА В         РАСТВОРАХ, САХАРИМЕТР

        Сахариметр ─  поляризационный прибор для определения содержания сахара (реже — др. оптически активных веществ) в растворах по измерению угла вращения плоскости поляризации (ВПП) света, пропорциональна  концентрации раствора. Компенсация ВПП в сахариметрах, в отличие от поляриметра, производится линейно перемещающимся кварцевым клином. Применение кварцевого компенсатора позволяет освещать сахариметр  белым светом, т. к. кварц и сахар обладают почти одинаковой вращательной дисперсией. (При измерении концентрации др. в-в, напр. камфары, их освещают монохроматическим светом определённой длины волны.) Отсчёт угла вращения ведётся по линейной шкале, непосредственно указывающей процентное содержание сахара в р-ре. Как и в поляриметрах, в сахариметрах  при компенсации происходит уравнивание яркостей двух половин поля зрения, регистрируемое визуально или фотоэлектрически.

Во многих современных сахариметрах с поляризационной модуляцией света кварцевый компенсатор и шкала связаны со следящей системой и компенсация измеряемого ВПП осуществляется автоматически.

Кварцевый компенсатор: 1 — неподвижный клин из правовращающего кварца; 2 — подвижный клин из левовращающего кварца, соединённый со шкалой (её нулевая отметка соответствует положению клина, при к-ром действия обоих кварцевых клиньев скомпенсированы); 3 — клин из стекла (подклинок), вводимый для того, чтобы луч света, проходя через кварцевые клинья, не изменял своего направления.

 

           4 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

           4.1  Зависимость температуры оптической активности физиологических растворов сахаров

Исследована зависимость от температуры оптической активности водных растворов метаболических сахаров и определена энергия активации реакции их ассоциирования в надмолекулярные хиральные структуры. Ее величина оказалась близка к значениям энергии вращательного движения и биогенного МКВ-излучения. Исходя из этого и учитывая зависимости оптической активности сахаров от времени и даты, места и ориентации прибора, приняли за основу механизма действия хирального фактора фило- и онтогенеза метаболический эффект реакции образования хиральных водно-сахарных ассоциатов.

Оптически активные D-сахара являются основным источником энергии метаболизма живых систем. Обязательное посредничество ахиральной молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) в процессе метаболизации энергии химических связей сахаров нивелирует их хиральность, унифицируя тем самым энергию макроэргических связей АТФ. Однако роль сахаров в возникновении и развитии жизни не ограничилась их вкладом в биоэнергетику. В ходе эволюции усложнялись физико-химические свойства сахаров и, соответственно, возрастала их роль в энергоинформационном обмене живых систем с внешней средой. Моно- и полисахариды вошли в состав структурных элементов биомолекул, клеток, жидких сред, информационных систем, они регулируют иммунитет высших организмов. Учитывая морфо-функциональную универсальность D-сахаров, можно предположить, что именно их физико-химические свойства обеспечивают высокую чувствительность механизма адаптации живых систем к внешнему постоянно действующему хиральному фактору (ХФ). Следует отметить, что вопрос о физической природе ХФ и механизме его влияния на биогенез до сих пор остается открытым. Впервые данную проблему сформулировал Л. Пастер в XIX веке, предположив, что дисимметрия живых систем возникла на ранних стадиях биологической эволюции под действием электрических и магнитных полей космического происхождения. В обоснование этой идеи в работе приведен возможный механизм асимметричного действия электромагнитного поля на макромолекулу белка. Согласуется с нею и гипотеза о ключевой роли сахаров еще на пребиотическом этапе биогенеза. Привлекательна также идея о нейтринной природе ХФ, которую можно соотнести с гипотезой В.И. Вернадского о детерминировании дисимметрии живых систем хиральностью физического вакуума (эфира). Реликтовое нейтрино, составляя энергетическую основу вакуума, вполне может обеспечивать его гравитационную и электромагнитную динамику (эффект Фарадея, например).

В общем случае в основе механизма чувствительности живой системы к ХФ помимо хиральности ее элементов должно лежать то или иное взаимодействие между ними, обеспечивающее переход системы в коррелированное состояние с новым качеством. Переход в данное состояние (фазу) ведет к возрастанию порядка системы или снижению энтропии и при этом увеличивается ее устойчивость (время жизни). За перестройку порядка системы на микро и макро уровне ответственны электромагнитные взаимодействия между элементами. Динамику, кинетику, радиус действия и стереометрию упорядочивающих сил в живых системах лимитируют молекулярно-кооперативные свойства воды. С целью получения дополнительной информации о вкладе сахаров в механизм чувствительности живых систем к ХФ в настоящей работе исследовали температурные и концентрационные зависимости оптической активности водных и водно-этанольных растворов D-глюкозы и сахаров. Данные растворы моделировали состав физиологических жидкостей (межклеточная жидкость, лимфа, ликвор, синовия). При этом варьировали место, дату и время измерения, а также ориентацию прибора относительно частей света.

4.2  Мешающие факторы при поляриметрических измерениях

  При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствитель­ность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.

  Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.

   Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3 %/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1 : 104), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления,которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для п )ляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных почос Возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается. При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.

  При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным фор­мированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости.

5     ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной  курсовой работы был  изучен   эффект  оптической активности, а также его использование для измерения физических величин. Родоначальниками  эффекта оптической активности были учёные Фарадей, Пастер, Био, Араго. Были приведены основные формулы присущие данному эффекту. Был  изучен прибор основанный на эффекте оптической активности ─ сахариметр.

Были изучены основные положения  поляриметрии и  приборы основанные на этом методе — поляриметры. Было изучено строение этих приборов и сфера их применения. Был изучен поляризационный фильтр и применение его в фотографиях. Изучены особые шкалы поляриметров и технические поляриметры.

Исследованы источники погрешностей. Основными источниками погрешности являются  мешающие факторы при поляриметрических измерениях и зависимость температуры оптической активности физиологических растворов сахаров .

В конечном итоге можно сказать, что эффект оптической активности очень важен при измерении физических величин, благодаря ему были выведены многие другие эффекты и величины.  Оптическая активность, широко используются в физических, химических, биологических и других  научных исследованиях и в промышленности. Она крайне важна.

6     СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.

           1 Ландсберг,  Г. С.  Общий курс физики / Г.С. Ландсберг // Оптика. – 1957. – 286 c.

2 Борн, М. Вольф, Э. Основы оптики  / М. Борн, Э. Вольф / 2 издание – 1973. – 385 с.

3 Волькенштейн, М. В. Молекулярная оптика – 1951. – 363 с.

4 Mathieu, J.P. Activite optique naturelle / J.P. Mathieu. //  Encyclopedia of Physics (Handbuch des Physik) – 1957. – 280 c.

5      Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

6      Потапов В. М.  Стереохимия 2 изд. М. 1988, с. 186-99.

PAGE   \* MERGEFORMAT32


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70064. Учебно-методический комплекс: Основы социологии и политологии 172 KB
  Общество и его развитие функционирование основных институтов и в первую очередь государства социальные и политические отношения взаимодействие личности гражданского общества и государства составляют основу деятельности юристов их гражданской активности реализации социального...
70065. СУДЕБНОЕ ДЕЛОПРОИЗВОДСТВО 247.5 KB
  Понятие судебного делопроизводства; распределение обязанностей между работниками аппарата суда; руководство делопроизводством суда; организация приема граждан работниками суда; судебное разбирательство; протокол судебного заседания; порядок вынесения судебного решения...
70066. Введение в право: Учебно – методический комплекс 163.5 KB
  Дается общая характеристика права общая характеристика отраслей права раскрываются основные принципы осуществления правосудия в Российской Федерации. Содействие подготовке компетентных специалистов которые смогут самостоятельно найти нужную норму права разобраться в ней.
70067. МУНИЦИПАЛЬНОЕ ПРАВО 599 KB
  Муниципальное право понятие и предмет муниципального права; правовое регулирование муниципальных отношений; понятие местного самоуправления; общие принципы и функции местного самоуправления; структура и организация работы органов местного самоуправления; финансово-экономические основы...
70068. ОТЕЧЕСТВЕННАЯ ИСТОРИЯ: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС 513.5 KB
  Основная цель курса состоит в формировании у обучаемых научных представлений об основных закономерностях исторического процесса о специфике исторического пути России в ряду мировых цивилизаций и становлении на этой базе гражданского самосознания высоких моральных...
70069. ПРАВО СОЦИАЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 684.5 KB
  Учебный курс имеет своей целью изучение всех важнейших институтов права социального обеспечения, формирование у студентов знаний правовых норм законодательства в сфере социального обеспечения граждан, развитие и закрепление навыков правового мышления...
70070. Учебно-методический комплекс: Основы экономики 666.72 KB
  Цель данного учебного курса – дать обучающимся представления об основах экономической теории, раскрыть механизм функционирования рыночной модели хозяйствования, показать роль и место государственного регулирования в условиях рыночной экономики и в общих чертах изложить...
70071. Правовые основы организации деятельности судебных приставов: Учебно-методический комплекс 291.5 KB
  Учебная дисциплина «Правовые основы организации деятельности судебных приставов» включена в учебный план ПФ РАП по специальности «Правоведение» для студентов факультета непрерывного образования по подготовке специалистов для судебной системы.
70072. Учебно-методический комплекс: Теория государства и права 325.5 KB
  Изучение теории государства и права формирует и развивает юридическое мышление, правовую культуру, а глубокое усвоение системы основных категорий и понятий, в том числе в их отраслевом преломлении способствует приобретению навыков работы с законодательством, практикой его толкования и применения.