Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Посмотреть оригинал

Поляризационно-оптический метод анализа

Поляризация света — это физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.

Первые указания на поперечную анизотропию светового луча были получены X. Гюйгенсом (Н. Huygens — нидерландский ученый, 1629—1695) в опытах с кристаллами нолевого шпата, а термин «поляризация света» был введен И. Ньютоном (J. Newton — гениальный английский ученый, 1643—1727).

Свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой), в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей, поэтому в общем излучении направления векторов напряженностей электрического Е и магнитного Я ноля непредсказуемы и хаотичны. Подобное излучение называют неиоляризованным, или естественным, светом (рис. 6.18, а).

Свет называют полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора Е светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз (рис. 6.18, б).

Направление колебаний вектора Е света

Рис. 6.18. Направление колебаний вектора Е света:

а — неполяризованный; 6 — поляризованный (плоскость рисунка перпендикулярна направлению распространения света)

ГОСТ 23778—79 различает следующие приборы для поляризационных оптических измерений. Поляриметр — измеряет угол вращения плоскости поляризации оптически активным веществом при излучении определенной длины волны. Спектрополяриметр — измеряет угол вращения плоскости поляризации в зависимости от длин волн оптического излучения в заданном интервале длин волн. Магнитополяриметр — измеряет угол вращения плоскости поляризации веществом, находящимся в магнитном поле, для оптического излучения определенной длины волны. Спектромагнитопо- ляриметр — измеряет угол вращения плоскости поляризации веществом, находящимся в магнитном поле, в зависимости от длины волны излучения в заданном интервале длин волн. Эллипсометр — измеряет азимут и эллиптичность поляризованного оптического излучения определенной длины волны. Спектроэллипсометр — измеряет азимут и эллиптичность поляризованного оптического излучения в зависимости от длин волн излучения в заданном интервале длин волн. Магнитоэллипсометр — измеряет азимут и эллиптичность эллиптически поляризованного оптического излучения после взаимодействия с веществом, находящимся в магнитном поле, для излучения определенной длины волны. Полярометр — измеряет степень поляризации частично поляризованного оптического излучения.

Вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации, называют оптически активными. Все они существуют в двух разновидностях — лево- и правовращающей.

Оптически активными являются вещества, молекулы которых не имеют центра или плоскости симметрии. К их числу относятся молекулы большинства органических соединений (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и др.), которые все в той или иной мере проявляют оптическую активность.

Если синтетическим путем изготовить аналогичное вещество, например сахар, то оно не будет оптически активным. Синтетически получается смесь, содержащая равное количество право- и левовращающих молекул. Все вещества в неживой природе с несимметричными молекулами существуют в виде таких смесей.

Асимметрия оптической активности характерна только для биологического вещества и продуктов органического происхождения. Причины асимметрии оптической активности у живых существ не вполне ясны. Возможно, что эта асимметрия возникла случайно и затем была закреплена механизмом наследственности.

Для контроля концентрации растворов сахара, никотина, камфары, скипидара и других веществ, обладающих свойствами вращения плоскости поляризации, используют поляриметры, в основу работы которых положен закон Био (J.B. Biot — французский физик, 1774—1862)

где ф — угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего через раствор; а — постоянная вращения; d — толщина слоя исследуемого раствора.

Структурная схема поляриметра показана на рис. 6.19.

Структурная схема поляриметра

Рис. 6.19. Структурная схема поляриметра:

1 источник света; 2 — фильтр; 3 поляризатор; 4 кювета с исследуемым веществом; 5 — модулятор; 6 — анализатор; 7 — фотоприемник; 8 — вторичный

прибор

Назначение фильтра 2 и поляризатора 3 состоит в получении монохроматического линейно поляризованного излучения, которое взаимодействует с исследуемым раствором в кювете и преобразуется анализатором в световой поток в соответствии с законом Мал юса (Е. Malus — французский физик, 1775—1812), имеющим вид

где Ф, Ф0 — световой поток на выходе и входе в поляризатор соответственно; р — угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора; т± — коэффициент пропускания поляризатора и анализатора при р = 90°.

Чтобы контролировать концентрацию раствора, поляризатор ориентируют под углом р = 90°, добиваясь минимума потока Ф0. Затем на пути светового луча устанавливают кювету с исследуемым веществом и поворотом анализатора вновь устанавливают минимальный поток Ф. Угол поворота анализатора соответствует углу вращения плоскости поляризации ф. В современных приборах погрешность его измерения составляет ±(0,02—0,03)° и определяется в основном малой чувствительностью фотоприемника в области гашения светового потока. В другом варианте прибора плоскость поляризации раскачивают с помощью модулятора, устанавливаемого перед кюветой.

Портативный поляриметр (рис. 6.20) предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями.

Портативный поляриметр

Рис. 6.20. Портативный поляриметр

Он состоит из головки анализатора, поляризационного устройства, соединительной трубки с зеркалом, трубки для растворов, кронштейна. Диапазон измерений угла вращения плоскости поляризации от -20 до 20°, предел допускаемой основной погрешности — ±0,1°.

Цифровой поляриметр показан на рис. 6.21.

Цифровой поляриметр

Рис. 6.21. Цифровой поляриметр

Он имеет диапазон измерений -89,99—89,99° (-130—130 Z по международной сахарной шкале) и погрешность ±0,01° (±0,01 Z).

С помощью спектрополяриметров получают зависимость угла вращения плоскости поляризации от длины волны. При отсутствии полос поглощения в спектральной кривой Ф = f(X) функция (р = f(X) нарастает с уменьшением X. В полосах поглощения кривая вращательной дисперсии ф претерпевает резкие изменения. Амплитуда и знак этих изменений позволяют судить о составе вещества или его отклонениях от образцового.

В отличие от поляриметров, спектрополяриметры имеют монохроматор со сменными решетками, обеспечивающими работу в спектральном диапазоне 0,2—25 мкм. В приборах этот диапазон обычно равен 0,18—0,7 мкм. Диапазон измеряемых углов современных спектроноляриметров составляет 0,02—90°, а погрешность измерения — ±(0,001—0,01)°.

При прохождении поляризованной волны через вещество, помещенное во внешнее продольное магнитное поле, происходит поворот плоскости поляризации

где hB ~ 1/Х — константа Верде (М. Verdet — французский математик, 1824—1866), или удельное магнитное вращение (эта константа зависит от типа оптических материалов и длины волны); Н — напряженность внешнего поля; d — длина пути распространения света в веществе (длина кюветы).

Для растворов (р = h^CHd, т.е. угол вращения однозначно связан с концентрацией С. Вне полосы поглощения раствора кривая дисперсии оптического вращения в магнитном поле Н имеет плавный характер. В полосе поглощения наблюдается скачок (р(^), форма которого заметно отличается от пара- и диамагнитных веществ.

Приборы, позволяющие получить зависимость (р(А,), называют маг- нитоспектрополяриметрами. Они отличаются от спектроноляриметров наличием магнита, в поле которого помещают исследуемое вещество. Их рабочий диапазон составляет 0,22—0,6; 0,437—0,633; 10,6 мкм, а погрешность доведена до ±0,0004°.

Эллипсометры используют для контроля оптических и электрических параметров объекта контроля (показателя преломления п, показателя поглощения х, ДП е), исследования смога, тумана, оценки размеров частиц коллоидных растворов и аэрозолей и многого другого. Принцип их действия основан на сравнении состояния поляризации света, падающего на контролируемое вещество и отраженного от него (или прошедшего через него).

Задачи

6.4.1. Степень поляризации частично поляризованного света составляет Р = = 0,75. Определите отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной.

Решение

откуда max = 7.

^ min

6.4.2. Определите удельное вращение плоскости поляризации рафинозы С18Н32016Н20, если раствор, содержащий 5 г рафинозы, при длине кюветы 25 см вращает плоскость поляризации вправо на 1,3°.

Решение

6.4.3. Определите массовую концентрацию раствора сахара, если при прохождении света через кювету длиной / = 20 см с этим раствором плоскость поляризации света поворачивается науголф= 10°. Постоянная вращения сахара 1,17-Ю-2 рад-м2/кг. Решение

6.4.4. Удельное вращение плоскости поляризации никотина С10H14N2 для желтой линии натрия равно 162°. Определите концентрацию раствора никотина (моль/л), который в кювете длиной 10 см поворачивает плоскость поляризации на 0,52°. Решение

откуда

где 162 — масса 1 моля никотина.

6.4.5. Удельное вращение плоскости поляризации виноградного сахара при разных длинах волн имеет следующие значения:

длина волны, нм 447 479 508 535 656

удельное вращение,0 96,52 83,88 73,61 65,35 41,89

Определите удельное вращение плоскости поляризации желтой (589 нм), синей (486 нм) и фиолетовой (434 нм) линий Н2.

Ответ: ат = 52° Г, а486 = 80°, аш = 104°.

6.4.6. Удельное вращение плоскости поляризации стрихнина в растворе спирта при 20°С равно -104°. Определите концентрацию стрихнина, если для кюветы длиной 25 см угол вращения плоскости поляризации равен -1,56°.

Ответ: 6,0 г/л.

6.4.7. Для растворов, содержащих 3,5 и 6,8 г аскорбиновой кислоты в 25 мл раствора, получили по шкале клинового поляриметра отсчеты 6,7 и 13,4 мм. Определите концентрацию раствора аскорбиновой кислоты (моль/л), если отсчет по шкале поляриметра равен 10,33 мм.

Ответ: 0,716 М.

6.4.8. -(-Яблочная кислота вращает плоскость поляризации вправо, а -яблочная кислота — влево. Удельное вращение плоскости поляризации для обеих кислот равно 2,3°. Определите концентрацию -t-яблочной кислоты в растворе, угол вращения плоскости поляризации которого равен +0,8°, если суммарную концентрацию кислот условно приняли равной единице.

Ответ-. 6,7 г/л.

6.4.9. Раствор глюкозы концентрацией С, = 0,21 г/см3 поворачивает плоскость поляризации монохроматического света, проходящего через раствор, на угол ф, = = 24°. Определите концентрацию С2 глюкозы в другом растворе в этой кювете, если он поворачивает плоскость поляризации на угол ф2 = 18°.

Ответ: С2 = 0,157 г/см3.

6.4.10. Раствор сахара с концентрацией 0,3 г/см3 вращает плоскость поляризации монохроматического света на 25°. Определите концентрацию раствора сахара в другой такой же кювете, если он поворачивает плоскость поляризации па 20°.

Ответ: 0,24 г/см3.

6.4.11. Раствор глюкозы концентрацией 0,28 г/см3, находящийся в стеклянной кювете, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света, проходящего через этот раствор, на угол ср = 32°. Используя закон Малюса, определите концентрацию раствора в другой такой же кювете, если он вращает плоскость поляризации на угол (р = 24°.

Ответ: 0,21 г/см3.

6.4.12. Угол поворота плоскости поляризации желтого света при прохождении через кювету с раствором сахара равен ср = 40. Длина кюветы равна 15 см, величина удельного вращения сахара а = 66,5 град/(дм-г/см3). Определите концентрацию сахара в растворе.

Ответ: 0,4 г/см3.

6.4.13. Никотин (чистая жидкость) в стеклянной кювете длиной 8 см поворачивает плоскость поляризации желтого света натрия на угол ср = 137°. Плотность никотина р = 1,01103 г/м3. Определите величину удельного вращения никотина а.

Ответ: ос = 169 град-см3/(дм г).

6.4.14. Угол ср поворота плоскости поляризации желтого света натрия при прохождении через кювету с раствором сахара равен 40°. Длина кюветы — 15 см, величина удельного вращения сахара а = 1,17-10-2 рад-м3/(кг-дм).

Ответ: 0,4 г/см3.

6.4.15. Определите угол поворота плоскости желтой линии натрия в сероуглероде под действием магнитного поля 10 кГс. Длина кюветы — 3 см. Постоянная вращения в магнитном поле (постоянная Верде) сероуглерода — 0,42'.

Ответ: 21°.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Что такое поляризация света?
  • 2. Можно ли «на глаз» отличить поляризованный свет от неполяризованного?
  • 3. Что такое плоскость поляризации?
  • 4. Что такое оптическая активность?
  • 5. Расскажите о приборах для поляризационных оптических измерений.
  • 6. Сформулируйте закон Био.
  • 7. Запишите закон Малюса.
  • 8. Что такое спектрополяриметр и как он работает?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Популярные страницы