大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告偏振光設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

1、嘉應(yīng)學(xué)院物理系大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告偏振光旋光實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：工a班 級(jí)：101 班姓 名：謝紅霞 座 號(hào)：28 號(hào) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012年11月偏振光旋光實(shí)驗(yàn)摘 要：許多物質(zhì)如石英晶體、氯酸鈉、糖溶液、松節(jié)油等都有旋光性。利用旋光性測(cè)定糖溶液濃度的儀器稱為旋光糖量計(jì)。除了在制糖工業(yè)中廣泛應(yīng)用外，在制藥工業(yè)、藥品檢測(cè)及商品檢測(cè)部門中也常用來(lái)測(cè)定一些藥物和商品(如可卡因、尼古丁、樟腦等)的濃度。本實(shí)驗(yàn)主要是學(xué)習(xí)理解偏振光的產(chǎn)生和檢測(cè)方法；觀察旋光現(xiàn)象，了解旋光物質(zhì)的旋光性質(zhì)；測(cè)定糖溶液的旋光率和濃度的關(guān)系；熟悉旋光儀的原理和使用方法并學(xué)習(xí)自己組裝旋光儀。關(guān)鍵詞：糖溶液濃度；旋光率；偏振光一、實(shí)驗(yàn)原理

2、線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)的溶液后，偏振光的振動(dòng)面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的角度稱為該物質(zhì)的旋光度。通常用旋光儀來(lái)測(cè)量物質(zhì)的旋光度。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的旋光能力、溶液的性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長(zhǎng)度、溫度及光的波長(zhǎng)等有關(guān)。當(dāng)其它條件均固定時(shí)，旋光度與溶液濃度c呈線性關(guān)系，即 (1) 上式中，比例常數(shù)與物質(zhì)旋光能力、溶劑性質(zhì)、樣品管長(zhǎng)度、溫度及光的波長(zhǎng)等有關(guān)，c為溶液的濃度。物質(zhì)的旋光能力用比旋光度即旋光率來(lái)度量，旋光率用下式表示： (2)上式中，右上角的表示實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度(單位：oc), 是指旋光儀采用的單色光源的波長(zhǎng)(單位：nm)，為測(cè)得的旋光度( o )，為樣品管的長(zhǎng)度

3、（單位：dm），c為溶液濃度（單位：g/100ml）。由(2)式可知：偏振光的振動(dòng)面是隨著光在旋光物質(zhì)中向前進(jìn)行而逐漸旋轉(zhuǎn)的，因而振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角度透過(guò)的長(zhǎng)度成正比；振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)的角度不僅與透過(guò)的長(zhǎng)度成正比，而且還與溶液濃度c成正比。如果已知待測(cè)物質(zhì)濃度c和液柱長(zhǎng)度，只要測(cè)出旋光度就可以計(jì)算出旋光率。如果已知液柱長(zhǎng)度為固定值，可依次改變?nèi)芤旱臐舛萩，就可測(cè)得相應(yīng)旋光度。并作旋光度與濃度的關(guān)系直線，從直線斜率、長(zhǎng)度及溶液濃度c，可計(jì)算出該物質(zhì)的旋光率；同樣，也可以測(cè)量旋光性溶液的旋光度，確定溶液的濃度c。旋光性物質(zhì)還有右旋和左旋之分。當(dāng)面對(duì)光射來(lái)方向觀察，如果振動(dòng)面按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；如果

4、振動(dòng)面向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。表1給出了一些藥物在溫度=20oc,偏振光波長(zhǎng)為鈉光589.3nm(相當(dāng)于太陽(yáng)光中的d線)時(shí)的旋光率。表1某些藥物的旋光率(單位：（o）·g-1·cm3·dm-1)藥名藥名果 糖-91.9桂皮油-1+1葡萄糖+52.5+53.0蓖麻油+50以上樟腦（醇溶液）+41+43維生素+21+22蔗 糖+65.9氯霉素-20-17山道年（醇溶液）-175-170薄荷鬧-50-49二、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置實(shí)驗(yàn)儀器主要有偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀和半蔭旋光儀(糖量計(jì))兩種類型。本實(shí)驗(yàn)中采用偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀。偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由光具座、帶刻度

5、轉(zhuǎn)盤的偏振片2個(gè)、樣品試管、樣品試管調(diào)節(jié)架、光功率計(jì)等組成。圖1 偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀1半導(dǎo)體激光器（s）;2起偏器及轉(zhuǎn)盤p1; 3樣品管調(diào)節(jié)架（r）;4樣品試管； 5檢偏器及轉(zhuǎn)盤p2； 6光強(qiáng)探測(cè)器（硅光電池t）;7光功率計(jì)（i）；偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀工作原理如圖2所示，圖中p1為起偏器，p2為檢偏器，s為半導(dǎo)體激光器（波長(zhǎng)650），r為盛放待測(cè)溶液的玻璃試管，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的部分偏振光經(jīng)起偏器p1后變?yōu)榫€偏振光，在放入待測(cè)溶液前先調(diào)整檢偏器p2,使p2與p1的偏振化方向垂直，透過(guò)p2的光最暗，功率計(jì)示值重新變最小。當(dāng)放入待測(cè)溶液后，由于旋光作用，透過(guò)檢偏器p2的光由暗變亮，功率計(jì)示值變大。再旋

6、轉(zhuǎn)檢偏器p2,使功率計(jì)示值重新變最小，所旋轉(zhuǎn)的角度就是旋轉(zhuǎn)角，這樣就可以利用公式（2）求出待測(cè)液體濃度。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）必做內(nèi)容：用偏振光旋光實(shí)驗(yàn)儀和（糖量計(jì)）測(cè)量糖溶液的濃度1.觀察光的偏振現(xiàn)象，研究葡萄糖水溶液的旋光特性。用半導(dǎo)體激光器作光源在光具座上組裝一臺(tái)旋光儀。先將半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光與起偏器、光功率計(jì)探頭調(diào)節(jié)成高等同軸。調(diào)節(jié)起偏器轉(zhuǎn)盤，使輸出偏振光最強(qiáng)（半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是部分偏振光）。將檢偏器放在光具座的滑塊上，使檢偏器與起偏器等高同軸（檢偏器與起偏器平行）。調(diào)節(jié)檢器轉(zhuǎn)盤使從檢偏器輸出光強(qiáng)為零，此時(shí)檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸相互垂直。將樣品管（內(nèi)有葡萄糖溶液）放于支架上，用

7、白紙片觀察偏振光入射至樣品管的光點(diǎn)和從樣品管出射光點(diǎn)形狀是否相同，以檢驗(yàn)玻璃是否與激光束等高同軸。如果不同軸可調(diào)節(jié)“樣品管支架”下的調(diào)節(jié)螺絲使達(dá)到同軸為止。此時(shí)可觀察到透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)不為零。便是該濃度溶液的旋光度。2.用自己組裝的旋光儀測(cè)量葡萄糖水溶液的濃度(1)配置不同的容積克濃度（單位：g/100ml）的葡萄糖水溶液。簡(jiǎn)單的方法是將各溶液濃度配成為、，加上純水(濃度為零),共5種試樣，濃度取24%至30%為宜。分別將不用濃度溶液注入相同長(zhǎng)度的樣品試管中，測(cè)出不同濃度下旋光度。并同時(shí)記錄測(cè)量環(huán)境溫度和記錄激光波長(zhǎng)。(2)以溶液濃度為橫坐標(biāo)，旋光度為縱坐標(biāo)，繪出葡萄糖溶液的旋光直線，由此直線

8、斜率代入公式(2),求得該物質(zhì)的旋光率。(3)用旋光儀測(cè)出未知濃度的葡萄糖溶液樣品的旋光度，再根據(jù)旋光直線確定其濃度。3.用半蔭旋光儀測(cè)葡萄糖水溶液的濃度，求得葡萄糖的旋光率。其中d=589.3nm。并與進(jìn)行比較，證明旋光率與波長(zhǎng)有關(guān)（約與波長(zhǎng)的平方成反比）。（二）選做內(nèi)容：測(cè)量果糖溶液的旋光率。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)c0=0.25g/ml;l=2.09dm表2 不同濃度溶液的旋光度的測(cè)量 測(cè)量角度濃度旋光度旋光度平均值。123空氣0000024.3224.5624.4224.43/211.1611.2011.3211.22/46.066.056.126.07/83.313.363.153.27純水00

9、.410.350.350.37未知濃度21.2021.0821.1421.14五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理用旋光度溶液濃度進(jìn)行最小二乘法直線擬合（將作為1個(gè)單位考慮）得：斜率=28.20即濃度為時(shí)的旋光度為28.20;擬合的相關(guān)系數(shù)=0.9998；這里正值表示當(dāng)溶液濃度增加時(shí)，迎著偏振光入射方向看，角度示值增加，說(shuō)明葡萄糖溶液為左旋物質(zhì)。用米尺測(cè)量樣品試管長(zhǎng)度為，葡萄糖的旋光率為：由于葡萄糖旋光率的值無(wú)法查到，但可以判斷此測(cè)量結(jié)果是合理的。查手冊(cè)可知葡萄糖旋光率兩者是不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，較接近。未知溶液濃度，有上述方法可得 由公式可得：六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、溶液應(yīng)裝滿試管，不能有氣泡，如果氣管中有氣泡，應(yīng)使氣泡處于試管凸起處。2、其他條件均固定時(shí)，旋光度與溶液濃度幾乎呈線性關(guān)系。七、思考題1.什么是旋光現(xiàn)象？答：偏振光通過(guò)某些晶體或物質(zhì)的溶液時(shí)，其振動(dòng)面以光的傳播方向?yàn)檩S線發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱為旋光現(xiàn)象。2.如何用實(shí)驗(yàn)的方法確定旋光物質(zhì)是左旋還是右旋？答：當(dāng)面對(duì)光射來(lái)方向觀察，如果振動(dòng)面按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；如果振動(dòng)面向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。八、實(shí)驗(yàn)儀器名稱數(shù)量備注光功率計(jì)壹臺(tái)激光器壹臺(tái)配固定