旋光實驗的拓展研究及測量＊

李麗榮，侯小娟，李林風(fēng)，孫一博

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

旋光效應(yīng)是指一束線偏振光在介質(zhì)中傳播時振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[1-3]。通過對樣品旋光度的測量，可以分析確定物質(zhì)的濃度、含量及純度等，廣泛應(yīng)用于制藥、藥檢、制糖、食品、香料、味精、化工、石油等工業(yè)生產(chǎn)[4-5]。為了充實和豐富有關(guān)旋光效應(yīng)的內(nèi)容，拓寬對旋光度的測量手段和方法，本文研制了一種利用硅光電池和光敏電阻作為光電檢測手段自動測量旋光儀裝置。

1 原理

1.1 旋光效應(yīng)

當(dāng)線偏振光通過某些透明旋光物質(zhì)，其振動面將以光的前進方向為軸線旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象[1,6-7]。振動面旋轉(zhuǎn)的角度θ，稱為旋轉(zhuǎn)角或旋光度，振動面的轉(zhuǎn)角θ與管長L和溶液濃度ρ成正比，其比例關(guān)系為：

式中，比例系數(shù)α為該溶液的旋光率[1，7]，單位為（°·ml·g-1· dm-1）；管長L的單位是dm；溶液濃度ρ的單位為g/ml。測得旋光率后，可以根據(jù)測得的轉(zhuǎn)角θ（旋光度），求出溶液的濃度ρ。

1.2 旋光色散

旋光色散是研究旋轉(zhuǎn)角θ隨波長λ變化的一種色散效應(yīng)。同一旋光物質(zhì)，由于不同波長的色光，相應(yīng)地具有不同的旋光率，所以出射光中不同波長色光的振動面所旋轉(zhuǎn)的角度是不相同的，從而使得不同波長色光的振動面分開，這種現(xiàn)象稱為旋光色散[6-8]。該現(xiàn)象對拓展物理知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容非常重要，應(yīng)該有這方面的學(xué)習(xí)和認知。

2 實驗裝置設(shè)計原理

基于旋光效應(yīng)和旋光色散的測量原理，本實驗系統(tǒng)中光源部分采用波長可以改變的半導(dǎo)體激光器[9]，兩個偏振片一個做起偏器P1，另一個做檢偏器P2，起偏器始終處于固定狀態(tài)，檢偏器上安裝一個角度編碼器，角度編碼器將自動測量檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度（即旋光度）并在顯示屏上輸出。檢偏器前面安裝一個可以拆卸的光敏電阻或者硅光電池作為光電檢測元件，把光電檢測的信號在顯示屏上輸出，自動檢測經(jīng)過檢偏器的光強的相對變化[10-11]。實驗測量裝置工作原理如圖1 所示[12]。結(jié)合工作原理，研制的實驗儀器裝置實物如圖2 所示。

圖1 實驗裝置工作原理圖

圖2 實驗裝置實物圖

利用旋光效應(yīng)測量濃度和旋光色散測量過程[6，13]：

（1）起偏器2 固定，旋轉(zhuǎn)檢偏器4，角度編碼器5 同時記錄檢偏器轉(zhuǎn)過的角度，分別用光敏電阻或者硅光電池檢測尋找輸出光強最小值，在屏上顯示出對應(yīng)光強最小值的結(jié)果（即調(diào)節(jié)到起偏器偏振方向與激光的偏振方向垂直），并在顯示屏上輸出角度θ1。

（2）放入旋光性溶液，由于旋光性溶液具有旋光性，線偏振光的振動面在通過旋光性溶液后將轉(zhuǎn)過一定角度，重復(fù)過程（1），再重新找到光強最小值，記錄顯示屏的顯示角度θ2，即可求得蔗糖溶液的旋光度θ(θ=θ2-θ1)。

（3）改變半導(dǎo)體激光器的波長，波長分別可變?yōu)椋?05 nm,450 nm，532 nm，635 nm，650 nm），重復(fù)測量過程（1）和（2），即可求不同波長下的旋光性溶液的旋光度θ（θ=θ2－θ1），總結(jié)旋光率隨波長的變化規(guī)律。

3 數(shù)據(jù)測量及分析

以硅光電池為例：配制蔗糖溶液，在室溫（T=22.0 ℃）下，用分析天平配制質(zhì)量濃度ρ=0.20 g/ml 的蔗糖溶液，裝入長度L=2 dm 的標(biāo)準(zhǔn)玻璃試管中。測量數(shù)據(jù)如下表1 所示。

表1 硅光電池測量蔗糖溶液波長與旋光度的關(guān)系

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)繪制出ρ=0.20 g/ml 濃度葡萄糖溶液旋光率隨波長平方倒數(shù)的關(guān)系如圖3 所示。

若以(1/λ2)*106作為x，α作為y，對實驗測點進行線性擬合，得到結(jié)果為式中可看出：α與1/λ2有線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998，達到線性顯著性水平，即在一定溫度和濃度下，葡萄糖溶液的旋光率與光波長平方的倒數(shù)線性相關(guān)[6]，對比圓盤旋光儀的光波長λ=589.3 nm，計算得到的旋光率α為40.77(°ml·g-1·dm-1)，與劉邵鵬等人[6]的測量結(jié)果40.95(°ml·g-1·dm-1)非常相近。證實了光波越長，旋光率α小。進一步說明該裝置用于旋光度和旋光色散的測定確實可行。

4 誤差分析

（1）實驗測量過程無需人工讀數(shù)，角度測量是角度編碼器按程序自動顯示，在每次測量中，起始值的變化會給測量帶來誤差，導(dǎo)致多次測量的重復(fù)性變差。但是該測量值是要計算的是角度的差值，對于單次測量，認為是誤差較小。

（2）光的單色性，光源中心不集中，這是導(dǎo)致誤差的主要來源。

（3）光電傳感器的分辨率低，尋找每次光強最小值，會對角度的位置測量帶來誤差。

5 結(jié)語

本文的測量系統(tǒng)使用了光電檢測元件測量相對光強，代替了傳統(tǒng)儀器的人眼判斷，用角度編碼器來自動測量檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度，采用波長可以調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體激光器，可以研究旋光色散的實驗內(nèi)容。本裝置測量方法簡單準(zhǔn)確，更能直觀研究旋光現(xiàn)象和旋光色散的實驗內(nèi)容，同時還拓展了現(xiàn)代自動化測量手段的應(yīng)用，有助于加深對光偏振概念的進一步理解和掌握。