 |
|
ВИМІРЮВАННЯ ОПТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ За ДОПОМОГОЮ ПОЛЯРИМЕТРІВ
Явище обертання площини поляризації використовується для вимірювання малих (не реєстрованих іншими способами) різниць показників заломлення, для отримання інформації про структуру молекул, точного визначення концентрації оптично активних речовин в розчинах і інших цілей. Лише найтонші інтерференційні методи дозволяють знайти відмінність в показнику заломлення порядку 10-6. Тим часом відмінність в одну мільйонну між 
і 
приводить до відносно легко спостережуваного обертання. Дійсно при товщині шарую d = 25 см і 
= 510-5 см знайдемо на підставі формули (3) 
= 90o .
Оптичну активність вимірюють для вузької ділянки спектру або однієї спектральної лінії натрію ( = 589,3 нм) або зеленої лінії ртуті ( = 561,1 нм). Прилади, призначені для цих вимірювань, розділяють на поляриметри і сахариметри, в залежності від методу компенсації вимірюваного кута обертання і конструкції шкали кутомірного пристрою (у поляриметрах відлік ведеться в кутових градусах, а в сахариметрах - в цукрових, тобто він про градуйований по оптичній активності цукрового розчину).
Ширшу інформацію про досліджувану речовину одержують при вимірюваннях його обертальної дисперсії - значень кутів обертання для ряду довжин хвиль в області спектру, що представляє інтерес. Прилади, що використовуються для цієї мети називаються спектрополяриметрами. Схема простого поляриметра зображена на рис.1.
Між схрещеними поляризатором П і аналізатором А поміщена кювета відомої довжини d з розчином оптично активної речовини. При проходженні світла через кювету площина його поляризації обернеться на кут , внаслідок чого поле зору проясниться. Для компенсації кута обертання (тобто для відновлення колишнього затемнення) аналізатор потрібно повернути на такий же кут . Знаючи питоме обертання 
даної речовини і довжину кювети d, можна, вимірявши кут , визначити концентрацію розчину 
по формулі (2). Проте, вимірювання кутів повороту таким методом є недостатньо точним, оскільки людське око мало чутливе до невеликих змін абсолютної величини яскравості рівномірно освітленого (або затемненого) поля зору. Але око чутливе до щонайменшої відмінності в яркостях суміжних частин поля зору, забарвлених в один і той же колір. Це властивість використовується в напівтіньовому поляриметрі (див. рис.2).
Лінза Л створює паралельний пучок світла від джерела И. Далісвітло проходить через світлофільтр Ф, поляризатор П, кварцову пластинку Пл, кювету К з речовиною, аналізатор А, окуляр О і потрапляє в око 
спостерігача. Хай вузька кварцова пластинка П займає тільки центральну частина поля зору. Після проходження через поляризатор світловий потік буде лінійно поляризованим. Після кварцової пластинки, яка повертає площину поляризації на великий кут 
,світловий потік стає неоднорідним в тому значенні, що його середня і крайня частини будуть поляризовані в різних площинах 11 і 22 (рис.3). В результаті поле зору виявляється розділеним на частини, освітленості яких залежать від орієнтації площини пропускання аналізатора АА.
Розглянемо спочатку випадок, коли в кюветі немає оптично активної речовини. Тоді, якщо площина АА перпендикулярна площині 11, тобто поляризатор і аналізатор схрещені, то останній пропустить лише ту частину світлового потоку, яка пройшла через кварцову пластинку. Тому центральна смужка в полі зору буде освітлена, а бічні ділянки затемнені (рис.3а). Якщо ж площина АА перпендикулярна площині 22, то темні і світлі частини поля зору міняють місцями (рис.3б). Ясно, що є два такі положення, коли освітленість всіх частин поля зору однакова (рис.3. в і г). У одному з цих положень площина АА паралель бісектрисі кута між 11 і 22, а в іншому - перпендикулярна. Останнє з названих положень аналізатора, що називають установкою на півтінь, фіксується точніше, оскільки в цьому випадку освітленість поля зору менше, а людське око більш чутливе до малих змін (до певної межі) інтенсивностей. Якщо у встановлений на півтінь поляриметр помістити кювету з оптично активною речовиною, то площини поляризації світлових потоків обернуться на кут і освітленості сусідніх частин поля зору стануть різними. Відновлення рівності освітленостей досягається поворотом аналізатора на той же кут . При помилковій установці аналізатора відносно рівноважного положення виникає різниця 
інтенсивностей поля зору
,
де 
- інтенсивність при рівноважному положенні; 
-кут, що характеризує величину помилки. Вважаючи, що -кут дуже малий, можна приблизно написати:
Звідси видно, що при малих значеннях напівтіньового кута навіть невеликий поворот аналізатора на кут приводить до помітного порушення фотометричної рівності частин поля зору. Наприклад, при 
і 
=0.02 або 2%.
Ясно, що при зменшенні можна вимірювати з більшою точністю і, отже, виробляти відлік з точністю, по крайньому мірі , до сотих часток градуса. При цьому треба мати на увазі, що оскільки освітленість поля зір слабшає із зменшенням , то потрібні яскравіші джерела світла. За відсутності таких або якщо досліджуваний зразок сильно поглинає світло, доводиться збільшувати напівтіньовий кут , хоча і в збиток точності.
ОПИС САХАРИМЕТРА
Для безпосереднього вимірювання процентного вмісту цукру в розчині створені сахариметри. Це візуальні прилади, в яких аналізатор встановлений на напівтіньову рівність в нульовому положенні, а кут обертання визначають за допомогою кварцового компенсатора, встановленого перед аналізатором. Значення обертальних дисперсій кварцу і цукрового розчину близькі між собою, тому сахариметр можна освітлювати джерелом світла з порівняльно широким спектром. Це дозволяє застосовувати яскраві лампи розжарювання і досліджувати темні розчини.
Компенсатор простої конструкції складається з трьох частин: плоскопаралельної пластинки, виготовленої з кварцу правого обертання і двох клинів, що утворюють другу пластинку змінної товщини - з кварцу лівого обертання. Один з клинів виконаний рухомим; переміщаючи його, встановлюють таку сумарну товщину клинів, при якій компенсується поворот площини поляризації, викликаний розчином цукру. Зсув клину відлічується за допомогою лінійної шкали і ноніуса. Шкала звичайно має 100-120 рівновіддалених поділок для вимірювання лівого обертання. Кожна поділка шкали відповідає певній кількості цукру в грамах, що міститься в 100 мл розчину. Цукор складається з суміші структурних форм, що важко розділяються, (сахарози, лактози, фруктози і глюкози), питомі обертання яких сильно відрізняються один від одного. У харчовому цукрі переважає сахароза, тому шкали компенсаторів розраховують, виходячи з питомого обертання сахарози.