旋光儀的改進和實驗功能拓展

邱 菊,嚴 峰,胡國琦,殷 飛,薛紅玲

(北京工業大學實驗學院北京101101)

1 引 言

目前用于大學物理實驗中的旋光儀有2種測量方法:第一種在測定旋轉角度時,采用三分視野法,用肉眼判斷最大或最小光強,因此測量結果受實驗者的判斷力影響很大,具有一定的不確定性;第二種在第一種基礎之上,增加了光功率計,用光功率計測量和顯示最大和最小光強,雖然較三分視野法的誤差小,但是由于光強在最大和最小附近的變化率都非常小,對最大光強或最小光強對應的角位置的確定也存在一定的誤差.以上2種方法都是從檢偏器的刻度盤上讀取旋光物質的旋轉角,進而推算溶液的濃度.

本儀器采用光電傳感器及單片機控制系統進行光強測量.測量中不對最大光強或最小光強進行取樣測量,而對光強隨角度變化快的中間光強進行取樣測量,提高了測量的準確性.該儀器還具有測量溶液濃度和旋光率的兩套測量系統,能夠輸入標準樣品的濃度,并實現了旋轉角、溶液濃度、旋光率等測量結果的自動顯示,使測量簡單易行.本儀器的設計測量方法除了可以用于物理實驗教學,還可以用于生產檢測等領域.

2 實驗原理

線偏振光經過旋光溶液后,其偏振面旋轉角度為φ,且

其中,α為旋光物質的旋光率,l為光在溶液中走過的路程,c為溶液的濃度.對同一種物質,α與偏振光的波長有關.如果α和l確定,測出旋轉角度φ,即可計算溶液的濃度.反之,如果已知 l和c,測出旋轉角度φ,還可以計算α.因此問題的關鍵是測量旋轉角度φ.

3 常規測量方法及其存在的問題

圖1為測量裝置圖,其中 P1為起偏器,P2為檢偏器.根據馬呂斯定律,檢偏器 P2上入射光強I0與出射光強 I的關系為

其中φ為P2上入射與出射線偏光偏振面的夾角,不加待測溶液時,就是2個偏振片的偏振化夾角.

圖1 常規測儀裝置圖

在不加待測溶液時,旋轉檢偏器 P2,使出射光強最大.之后放上待測旋光溶液,由于旋光效應,通過P2的光強變弱.旋轉 P2,使出射光強再次變為最大,P2轉過的角度,就是溶液的旋光角度φ,該角度可從 P2的刻度盤上讀出.確定了φ以后,就可根據式(1)計算溶液濃度或旋光率.

該方法存在的問題:

1)最大光強的判斷存在誤差;

2)刻度盤的精度低,對測量結果有影響;

3)需要人工讀取φ并計算c或α.

4 測量方法的改進

4.1 改進一

設計裝置如圖2所示,將圖1中的接收裝置換為光電接收裝置,并連接到多功能旋光儀主機上,在主機顯示屏上自動顯示和記錄實時光強、最大光強和最小光強.

圖2 改進裝置圖

在不加待測溶液時,旋轉檢偏器 P2,使入射到接收裝置上的光強最大,記為 I0.之后放上待測旋光溶液,檢偏器上入射光的偏振面旋轉φ角,此時出射光強記為 I.在不考慮溶液對入射光的散射等因素的情況下,可以根據式(2)計算φ.但事實是溶液散射等因素對入射光的強度影響很大,導致入射到檢偏器P2上的光強較 I0小很多.為了修正 I0的測量誤差,可以考慮在放入待測溶液之前,先放上和待測溶液樣品管等長的非旋光溶液,由此測量 I0,但是不能保證2種溶液對光強的減弱是相同的,同時又會因為2種溶液樣品管長度不完全相同而引入附加的誤差因素.

經實驗研究后,改進了測量方法.在不加待測溶液前,旋轉 P2,通過光電接收系統的實時檢測找到出射光強最大的位置,此時2個偏振片的偏振化方向平行.放入待測溶液后,由于旋光和散射等因素的影響,光電接收裝置測量的光強為I.旋轉P21周,光電接收裝置能自動記錄出射光的最大強度 I1和最小強度 I2,根據馬呂斯定律,有

(3)式中兩側減去 I2是為了消除偏振片不能完全消光和環境中的雜散光引入的誤差.由此可測量經過待測旋光溶液的旋光角度φ,進而求濃度或旋光率.

本測量方案中的 I,I1,I2都是在有待測溶液的條件下測量的,因此避免了散射引起的測量誤差,同時還修正了偏振片不能完全消光以及雜散光引入的附加誤差.

另外實驗儀器能夠自動捕捉并記錄 I,I1和I2,自動計算和顯示各個測量結果.

4.2 改進二

在按照上述方案進行實驗過程中,放入待測樣品之前,需要旋轉檢偏器 P2,通過光電接收裝置和主機顯示找到出射光強最大的位置.但是在實驗過程中發現,在最大光強和最小光強附近,光強隨旋轉角度的變化都非常小,在還沒有達到最大光強對應的角度時,由于環境的擾動,就可能出現光強瞬間超過最大光強的情況,因此儀器記錄的最大光強對應的旋轉角位置與理論位置存在一定的偏差,從而使結果出現誤差.這種現象出現的原因是由于光強隨旋轉角度的變化關系可以轉換為如圖3所示的余弦函數形式,而在余弦函數的極值位置A和B處,函數的變化率小.

通過圖3可以發現,位于A和B位置中間的C處附近,光強隨角度的變化快,C點光強和周圍各點光強區分度大,因此根據光強確定 C點對應的角位置要比確定A點角位置準確.

圖3 檢偏器出射光強的變化

從理論知,C點出射光對應的偏振化方向和最大光強 I1對應的偏振化方向夾角為45°(如圖4所示),光強 IC應為所以根據儀器能識別的最大和最小光強就可以知道C點光強的量值.

圖4 各光強對應的角位置的相對分布

測量方案是在沒有待測樣品的情況下,旋轉檢偏器P21周,儀器自動捕捉最大和最小光強 I1和 I2,并自動計算和顯示 IC,之后轉動P2,當主機顯示當前光強等于 IC的量值時,固定P2的位置,該位置對應的就是圖3中的C點.

放上待測樣品,如圖4所示,最大光強 I1對應的角位置旋轉角度φ,儀器記錄當前P2出射光強為 I.之后旋轉P21周,儀器自動捕捉最大和最小光強 I1和 I2.則有

由此可確定旋轉角度φ,進而可求濃度或旋光率.

實驗證明,利用 C點進行測量,準確度高于利用A點或者B點進行測量的結果,因此,我們制作的儀器采用C點取樣測量的方法.

5 多功能旋光儀的測量功能

考慮到待測溶液的濃度的不同,制備了2種長度的樣品管,測量時可在儀器的顯示菜單項目中選擇樣品管的種類.

5.1 測量旋光率

配制濃度c已知的溶液,在儀器上選擇裝溶液的樣品管的長度l.不裝樣品管時通過測量 I1和 I2,得知 IC的值,將 P2調至 C點對應的角位置.放上樣品管之后,測定P2出射光強 I,并再次旋轉P2測量 I1和 I2,由式(5)計算旋轉角度φ,進而求旋光率.要說明的是我們制作的儀器能夠自動記錄 I,I1和 I2,可以輸入標準樣品濃度,并直接顯示旋轉角和旋光率的測量結果.

5.2 測量溶液濃度

選擇2個長度相同的樣品管,分別裝上濃度c1已知的標準樣品和濃度 c2未知的待測樣品.按照前述方法分別測量2種樣品的旋光角度φ1和φ2,則φ1=αlc1,φ2=αlc2,由此可得

此種測量方法的優點是不必考慮旋光率隨波長及溫度的改變,可以使用任意單色光源.

5.3 用常規方法測量旋光角度

本儀器中的檢偏器 P2上帶有分度值為1°的刻度盤,學生還可以從 C點取樣,用常規方法測量旋光角度,并把2種測量方法得到的結果進行對比分析.

6 光電接收和自動檢測的實現

本儀器的光接收系統采用輸出電流和入射光強成線性關系的光電傳感器.通過單片機實現信號的自動識別、檢測和處理,系統能夠實現待測參量的選擇、測量樣品管長度的選擇、可以輸入標準樣品的濃度.與傳統的教學用旋光儀相比,本儀器的測量準確度高,測量簡單,速度快.

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