旋光色散現象的研究與旋光度的精確測量

【摘 要】本文在WXG-4型目視旋光儀上研究了不同波長的光源下蔗糖溶液旋光色散現象，并用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀精確測量蔗糖溶液的旋光度，對比分析了兩者的數據。

【關鍵詞】旋光色散；旋光度；波長；蔗糖溶液

1.實驗原理

線偏振光通過某些晶體或某些物質的溶液后，偏振光的偏振面將旋轉一定的角度，這種現象稱為旋光現象。旋轉的角度α稱為旋光度（或旋光角），能夠使偏振光的偏振面發生偏轉的物質稱為旋光性物質。旋光性物質分為兩類：迎著射來的光線看去，如果旋光性物質使振動面順時針旋轉，那么這種物質稱為右旋物質，如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖的水溶液；反之，如果振動面逆時針旋轉，這種物質稱為左旋物質，如轉化糖、果糖的水溶液。不同波長的光在同一旋光性物質中旋光率不同，這種現象稱為旋光色散現象。

對溶液，旋光度α與光線在溶液中通過的距離L和其濃度有關。

即：α=αmLC

式中αm是該溶液的旋光率，單位是（°）·ml·dm·g。

由于溫度對旋光物質的旋光率有關，實驗表明在室溫條件下溫度每升高（降低）一攝氏度其旋光率約減小（或增加）0.024（°）·ml·dm·g，因此溫度對實驗的誤差將產生很大影響。本實驗不中斷地在室溫10.5℃的條件下進行，降低溫度帶來的影響。

2.實驗儀器簡介

2.1 WXG-4型目視旋光儀簡介

該儀器讀數采用雙游標讀數，以消除度盤的偏心差。度盤等分360格，分度值為1°，角游標的分度值為0.05°。儀器在視場中采用了半蔭法比較兩束光的亮度，減小在亮度較弱的情況下的人為誤差。儀器配有波長為589.4nm的鈉光燈。

2.2 FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀簡介

該儀器主要有導軌滑塊光學部件、兩個控制主機、直流可調穩壓電源以及手提零件箱組成，光學導軌上有五個滑塊：激光器、起偏器、檢偏器、支撐架、測角器（含偏振片）和光電探測器。

（1）光源及照明系統：光源采用波長650nm的半導體激光器，輸出功率穩定度<5%。

（2）起偏器： 轉動角度：0°-360°，分辨率1°。

（3）測角器（檢偏）：將偏振片裝在一個可以手動旋轉的精密刻度盤上，外盤轉動角：0°-360°，分辨率1°。測微頭移動量程：0-10mm，分辨率0.01mm。

（4）接收裝置：光電探測器，有四個量程，最小分辨率0.001W。

3.實驗操作步驟

3.1蔗糖溶液配制

用分析天平稱量25.29193g蔗糖，在室溫下用100ml的容量瓶配置成濃度為0.2529193g/ml的蔗糖水溶液。將配好的溶液裝入清洗干凈并晾干的0.5dm長的測試管，供實驗使用。

3.2光源波長與蔗糖溶液旋光度關系的研究

本實驗具有6種波長不同的光源：半導體激光器（650nm）、橙光光源（610nm）、鈉黃光光源（589.4nm）、黃光光源（570nm）、綠光光源（530nm）和藍光光源（450nm）。

（1）接通WXG-4型目視旋光儀的電源，預熱10分鐘后（鈉光燈），測定參考視場的位置。記下三分視場剛好消失并且整個視場變為較暗的黃色時左右兩游標的讀數α01、α01'，取平均值，連續測6組，求出零點位置。

（2）將裝有配置好的蔗糖溶液的測試管放入的試管筒內，試管的凸起部分朝上，以便存放管內殘存的氣泡。

（3）調節望遠鏡調焦手輪，使三分視場清晰，記下三分視場剛好消失并且整個視場變為較暗的黃色時左右兩游標的讀數α02、α02'，取平均值，連續測6組，求出終點位置。

（4）數據計入表1。利用公式：旋光度=終點-零點，算出鈉黃光做光源時蔗糖溶液的旋光度。

（5）取下WXG-4型目視旋光儀的鈉光燈，分別用橙光光源、黃光光源、綠光光源和藍光光源替代，重復1）- 4）步驟，數據計入表2、表3、表4和表5中。

（6）用半導體激光器光源做光源在WXG-4型目視旋光儀上進行實驗，實驗時發現無法觀察到清晰的三分視場，只有明和暗兩種視場。未放置溶液時調節度盤轉動手輪，記下完全出現暗視場時記下左右兩游標的讀數。放入溶液后，同樣用同樣的方法記下游標的讀數。數據計入表6。

3.3在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上精確測量蔗糖溶液的旋光率

圖1 實驗步驟3原理圖

I、將半導體激光器（與旋光儀保持一致）、起偏器、裝有配置好的蔗糖溶液的測試管、檢偏器和光電接收器依次放置在光學導軌上，使激光能夠依次通過起偏器、測試管、檢偏器的中心，并能夠被光電接收器接收。開啟電源后用正交消光法消光，為減少回程誤差，在稍比光電接收器最小讀數大的兩個讀數出現時，記下測微頭的位置β1、β1'，取平均值，連續測6組，求出零點位置。放入蔗糖溶液，調節檢偏器再次達到消光狀態，用同樣方法記下測微頭的讀數β1、β1'，連續測6組，求出終點位置。數據計入表7。

II、檢偏器定標。外轉盤的最小刻度為1°，測微頭的最小讀數為0.01mm，在所測的近似范圍內，角位移和直線位移是線性的，所以可通過測量外轉盤轉動10°時測微頭所移動的距離，找出測微頭移動單位長度時外盤對應的角位移，數據計入表7。

Ⅲ、由上兩步，旋光度的計算公式為：旋光度=測微頭移動的距離×測微頭移動單位長度時外轉盤的角位移。

4.實驗數據處理與分析

在WXG-4型目視旋光儀上用鈉黃光（波長589.4nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為8.93°±0.05°，用橙光（波長為610nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為8.64°±0.09°，用黃光（波長為570nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為10.39°±0.06°，用綠光（波長為530nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為11.16°±0.05°，用藍光（波長為450nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為12.81°±0.11°，用半導體激光器（波長650nm）做光源測蔗糖溶液旋光度為7.37°±0.08°。由這些測得數據，通過計算機作圖，我們可以得到波長與蔗糖溶液旋光度的關系，如圖2所示：

圖2 波長與蔗糖溶液旋光度的關系

表1 在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上測蔗糖溶液的旋光度（波長650nm）

表2 檢偏器定標

通過以上分析可發現，在同樣溫度下，蔗糖溶液的旋光度與光源波長有關，即旋光色散現象與波長的關系為：波長越長，旋光率越小，且基本滿足線性關系：y=-0.0276x+25.537。

由表2數據算出檢偏器外盤轉動10°，測微頭移動距離3.022mm。結合表1數據計算出在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上測得蔗糖溶液的旋光度為7.329°±0.012°，與用WXG-4型目視旋光儀測得數據進行比較，得到了更為精確的旋光度數據。

5.結論

不同波長的光源下，測得蔗糖溶液的旋光度不同，既是旋光溶液的旋光色散現象。本實驗用6種光源進行了實驗，發現光源波長越長，旋光率越小（或者說光源頻率越低，旋光率越小），并得出兩者之間的關系式。

常用測量物質旋光度的儀器是WXG-4型目視旋光儀，本實驗設計利用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀檢偏器測微頭的高分辨率測量蔗糖溶液的旋光度，得到更為精確的結果。

【參考文獻】

[1]鐘紅梅等.WXG-4型旋光儀測定旋光度操作方法[J].河北化工，分析與測試，2008（第31卷）：11-12.

[2]劉竹琴等.用激光測量蔗糖溶液的旋光率及其濃度[J].大學物理，2007（第26卷）（10）：38-39.59.

[3]孫昕等.法拉第效應實驗裝置中光路的設計[J].物理實驗，2005（第25卷）（3）：37-38.

[4]竇寅豐.基于旋光色散原理的波長鑒別技術研究[D].黑龍江大學，2010.