POLARIMETRUL. DETERMINAREA CONCENTRATIEI SOLUTIILOR OPTIC-ACTIVE CU AJUTORUL POLARIMETRULUI

POLARIMETRUL. DETERMINAREA CONCENTRATIEI SOLUTIILOR OPTIC-ACTIVE CU AJUTORUL POLARIMETRULUI

1. Scopul lucrarii

Scopul teoretic al acestei lucrari de laborator este acela de a familiariza studentul cu aspecte care tin de proprietati ale undelor electromagnetice (in speta starea de polarizare a acestora), cu proprietati pe care le pot manifesta anumite materiale (anizotropia, activitatea optica) si cu utilizarea in scopul unor evaluari cantitative a acestor proprietati.

Scopul practic al acestei lucrari este acela de a masura - cu ajutorul unui instrument optic numit polarimetru - concentratia unor solutii optic active, prezente in interiorul tuburilor plasate pe masa de lucru.

2. Teoria lucrarii . Notiuni generale despre starea de polarizare a luminii si metode de modificare a acestei stari

Lumina, ca orice radiatie electromagnetica , este - in conformitate cu ecuatiile Maxwell care descriu comportarea oricarui camp de natura electromagnetica - o unda transversala. Asta inseamna ca intre directiile de oscilatie ale vectorului intensitate camp electric , vectorului intensitate camp magnetic si directia de propagare (respectiv vectorul de unda ) se formeaza un triedru drept (vezi figura 1).

Figura 1.

Planul format de vectorul si vectorul se numeste plan de oscilatie. Planul format de vectorii si se numeste plan de polarizare. Cele doua plane astfel definite sunt reciproc perpendiculare.

Deoarece toate fenomenele optice , care apar la interactiunea undelor electromagnetice cu substanta, sunt datorate campului electric , planul de oscilatie este singurul care prezinta importanta. Astfel, unda al carei plan de oscilatie se mentine (in timp si in spatiu) este o unda plan (sau liniar) polarizata.

Atomii surselor conventionale de lumina emit complet necorelat, fiecare unda elementara emisa avand o alta stare de polarizare. Prin urmare, lumina naturala (efectul prezentei tuturor acestor trenuri de unde) este nepolarizata.

Polarizarea luminii naturale se obtine artificial, cu ajutorul unor componente optice numite polarizori. La baza transformarii luminii naturale din lumina nepolarizata in lumina polarizata stau urmatoarele fenomene fizice : reflexia si refractia la suprafata de separare a doua medii dielectrice si izotrope, birefringenta si dicroismul.

Reamintim ca - la trecerea luminii printr-un mediu optic anizotrop - fasciculul incident pe un asemenea mediu este , in general , descompus in doua fascicule dintre care unul (fasciculul ordinar) se propaga in conformitate cu legile opticii geometrice iar celalalt (fasciculul extraordinar) nu respecta aceste legi. Ambele fascicule obtinute in aceste conditii sunt polarizate liniar total, in planuri perpendiculare. Acest fenomen, numit birefringenta (sau dubla refractie) apare la un numar mare de substante (cristaline sau amorfe) omogene, care sunt anizotrope pentru fenomenele luminoase. Dintre numeroasele cristale birefringente, cel mai cunoscut este carbonatul de calciu (CaCO₃ ) cristalizat (calcit) , cunoscut sub numele de spat de Islanda (cristal izotrop uniax).

Prin lipirea (cu balsam de Canada) a doua jumatati de spat de Islanda, taiate la un anume unghi, se obtine o prisma Nicol. Avantajul pe care il prezinta utilizarea acestui dispozitiv in ansamblul unui montaj optic, este dat de faptul ca prisma Nicol lasa sa treaca mai departe doar un fascicul total polarizat liniar in planul sectiunii principale a nicolului (fasciculul extraordinar / raza extraordinara).

Montajul experimental contine doua prisme Nicol, una in scopul de a lucra cu lumina polarizata liniar (polarizor) iar cealalta in scopul de a analiza rezultatul obtinut (analizor).

Daca intre doi nicoli, unul polarizor si celalalt analizor , care lucreaza in extinctie (au axele optice perpendiculare, deci ce trece de primul este total absorbit de celalalt) se introduce o lamela de cuart taiata perpendicular pe axa sa optica, se observa aparitia luminii in campul nicolului analizor. Daca insa se roteste analizorul cu un unghi a , se constata ca se regaseste situatia de extinctie. Aceasta observatie dovedeste ca lamela de cuart a rotit planul de oscilatie al luminii liniar polarizate cu exact acel unghi a descoperit experimental. Fenomenul de rotire a planului de oscilatie al luminii liniar polarizate poarta numele de polarizare rotatorie (vezi figura 2) sau activitate optica.

Substantele care produc acest fenomen se numesc substante optic active.

Exemple de substante optic active sunt : unele cristale anizotrope (precum cuartul), diversi compusi organici ( lactoza, zaharoza ) si evident solutii ale acestora precum si unele gaze.

Unele din aceste substante rotesc planul de oscilatie spre stanga ; ele se numesc levogire. Daca efectul consta in rotirea planului de oscilatie spre dreapta, substantele optic active corespunzatoare se numesc dextrogire.

Figura 2.

In cazul solutiilor optic active, valoarea unghiului de rotatie al planului de oscilatie este dependenta de concentratia acestora. Unghiul de rotatie a depinde - de asemenea - de distanta l pe care lumina polarizata o are de parcurs prin solutie , este invers proportional cu lungimea de unda l a radiatiei incidente (fenomen care se numeste dispersie rotatorie) si este influentat de temperatura de lucru.

Relatia care inglobeaza toate aceste observatii este :

(1)

unde marimile care intervin au urmatoarele semnificatii :

. c este concentratia solutiei optic active ;

. l este lungimea stratului de solutie strabatut ;

.       se numeste putere rotatorie sau rotatie specifica si reprezinta marimea unghiului de rotatie atunci cand c si l sunt egale cu unitatea. Aceasta notatie este folosita pentru a desemna o constanta de material, dependenta de lungimea de unda in vid si de temperatura T.

Din relatia (1) se poate exprima concentratia solutiei optic active (c) care, exprimata in procente , este :

(2)

Proportionalitatea dintre unghiul de rotatie a al solutiei si concentratia acesteia permite determinarea comoda a concentratiei oricaror solutii optic active. Metoda utilizata are la baza masuratori ale unghiului a cu care a fost rotit planul in care oscileaza vectorul si poarta numele de metoda polarimetrica. Aparatul optic corespunzator se numeste polarimetru.

In aceasta lucrare se vor determina concentratiile necunoscute pentru cateva solutii slabe de zahar in apa si se va demonstra experimental proportionalitatea dintre unghiurile citite experimental si valorile calculate ale lui c , atunci cand se folosesc tuburi avand aceeasi lungime. De asemenea se va pune in evidenta si dependenta liniara dintre a si l (atunci cand se constata ca pentru trei tuburi de lungimi diferite se gaseste numeric o aceeasi valoare a concentratiei - deci solutiile din interior sunt identice).

3. Descrierea dispozitivului experimental.

Pentru a evidentia calitativ aspectele discutate teoretic si pentru a face evaluari concrete in ceea ce priveste valoarea numerica a concentratiei mai multor solutii optic active (introduse in tuburile aflate pe masa de lucru) se foloseste un dispozitiv special, numit polarimetru circular. Schema optica a acestuia este prezentata in figura 3.

Figura 3.

Sursa de lumina monocromatica este o lampa cu descarcare in vapori de sodiu sau un bec cu incandescenta prevazut cu un filtru rosu. Ea emite lumina nepolarizata. Fanta F are rolul de a selecta un fascicul foarte ingust, centrat pe axul de simetrie al nicolului polarizor.

y

Polarizorul P lasa sa treaca numai undele al caror vector intensitate a campului electric oscileaza in planul sectiunii sale principale. Amplitudinea si directia undei luminoase, emergente din polarizorul P, este indicata in figura 4 prin notatia OP.

Directia principala a analizorului

Figura 4

E

q q

O'

x

P'

P

O

Regiunea centrala a fasciculului de lumina trece - mai departe - prin lama semiunda L , realizata dintr-un material birefringent. Pentru aceasta lama , directiile neutre sunt directiile celor doua axe care apar in figura 4, anume axele Ox si Oy. Lama descompune lumina polarizata pe directia OP in doua unde cu amplitudini diferite : OO' este amplitudinea undei ordinare iar OE este amplitudinea undei extraordinare. Grosimea lamei este astfel aleasa incat diferenta de drum optic intre cele doua unde este un multiplu impar de l/2. Prin compunerea celor doua unde, la iesirea din lama se obtine tot o unda liniar polarizata, avand directia de vibratie OP' , simetrica cu cea a undei incidente.

Lama semiunda acopera - asa cum s-a mai spus - numai partea centrala a fasciculului luminos, prezentandu-se - in campul vizual - sub forma unei benzi (vezi figura 5).

Prin urmare, in zona notata ca a lumina are directia si amplitudinea data de segmentul OP' (din figura 4) , in timp ce pentru cele doua zone laterale notate cu b fasciculul luminos are amplitudinea si directia desemnate de segmentul OP.

In cazul in care mediul activ optic (tubul cu solutie) lipseste, cele doua fascicule intra, cu amplitudinile si avand directiile specificate mai sus, in prisma Nicol ce joaca rolul de analizor.

Daca directia principala a analizorului coincide cu directia Ox (si in absenta mediului optic activ) , observatorul va percepe cele doua zone ale campului vizual ca avand aceeasi stare de iluminare. Acest lucru se explica prin faptul ca proiectiile amplitudinilor OP si OP' (egale si simetrice fata de axa Oy) pe directia principala a analizorului (axa Ox) au aceeasi valoare ; prin urmare si patratele acestor proiectii (care sunt proportionale cu intensitatea luminii) sunt , de asemenea, egale.

Atunci cand se introduce mediul optic activ (tubul T umplut cu o solutie de zahar in apa) , aceasta roteste cu unul si acelasi unghi a planul de oscilatie atat pentru lumina care trece prin lama (avand amplitudinea OP' - zona a ) cat si pentru lumina care trece pe langa lama (de amplitudine OP - cele doua zone b ).

Configuratia amplitudinilor rotite fata de directia principala a analizorului este indicata in figura 6.

Se observa ca - in aceasta situatie - proiectia OP₁ a amplitudinii OP pe directia principala a nicolului analizor (axa Ox) este diferita (mai mare) decat proiectia OP'₁ a amplitudinii OP'. Prin urmare zonele a si b vor avea stari de iluminare diferite.

Pentru a aduce cele doua zone la aceeasi stare de iluminare este necesar sa se faca o rotatie a directiei principale a analizorului cu un unghi care este - asa cum se vede din figura 7 - exact unghiul a (unghiul cu care substanta optic activa a rotit planul de oscilatie al luminii incidente pe tub).