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旋光儀實驗的基本原理和注意事項

來源：時間：2022-12-27 09:12:42 瀏覽：12174次

旋光儀實驗通過研究物質的旋光性，尤其是對它的定量測定，可以獲知物質的濃度、含量及純度等信息，因而測定物質的旋光度，旋光率常常作為物質定量分析的一個重要項目。除物理研究外，這項技術在化學，化工，醫學等領域也得到廣泛應用。旋光儀線偏振光通過某些物質（尤其是含有不對稱碳原子物質，如蔗糖）的溶液或某些晶體（如石英）后，其振動面（偏振面）會旋轉一定角度的現象，稱為旋光現象，旋轉的角度稱為旋光度，具有這種性質的物質稱為旋光物質。迎著光的傳播方向，振動面發生順時針旋轉的，稱為右旋物質，振動面發生反時針旋轉的，稱為左旋物質。

近年流行的液晶顯示器，也是利用旋光現象做成的。顯示器所用的液晶分子一般是具有棒狀結構的偶極分子，制造時，在液晶盒兩個外表面貼起偏片和檢偏片，對液晶盒的兩個內表面進行處理，使盒內的液晶分子成螺旋狀排列，光通過這種螺旋結構時，偏振面會發生旋轉。當在液晶盒上外加電壓時，電場力使偶極分子重新排列，改變了原有的螺旋結構，使旋光率減小或旋光性消失，撤去電場后，靠分子間的作用力，又會恢復螺旋結構。因此，可通過電場控制光線通過液晶的旋光度，進而控制通過檢偏片的光強度。若干這種液晶單元組合在一起，由外信號控制每個單元的亮度，就構成了顯示器。

【實驗目的】

1. 觀察旋光現象，了解旋光物質溶液的旋光度、旋光率與濃度的關系

2. 測量不同濃度的蔗糖及果糖溶液的旋光度，繪制旋光曲線，計算旋光率

3. 測量未知濃度蔗糖及果糖溶液的旋光度，根據旋光度和旋光率計算溶液的濃度

【實驗原理】

菲涅爾曾提出一種理論對晶體中的旋光現象加以解釋。設沿著晶體光軸傳播的線偏振光，是由兩個沿相反方向旋轉的等頻率的圓偏振光合成，在旋光晶體中，這兩個圓偏振光具有不同的傳播速度，導致從晶體出射的光合成振動面的改變，當順時針旋轉的圓偏振光速度較快時，稱為右旋物質，當逆時針旋轉的圓偏振光速度較快時，稱為左旋物質。

晶體的旋光度與光通過的晶體長度L成正比。液體的旋光度正比于溶液的濃度C和光通過的溶液長度L。為比例系數，稱為該物質的旋光率。用若干不同濃度的溶液，測得其旋光度，即可作出旋光度－濃度曲線，一般稱為旋光曲線。計算該直線的斜率，可以求得溶液的旋光率。

在實際應用里，只要測得未知液體樣品的旋光度，可以迅速地從事先繪制的同種物質的“旋光度－濃度曲線”上查出溶液濃度，或求得旋光率后，用計算溶液濃度。

實驗表明，旋光率與入射光的波長和溶液的溫度有關。同一種旋光物質在一定的溫度下，其旋光率與入射光波長成反比，即隨著波長的減小而迅速增大，這個現象稱為旋光色散。為此在測量液體的旋光率時，必須采用單色光（一般是鈉光）。

【實驗儀器】

圖1 小型旋光儀

圖2 WXG-4 小型旋光儀光學結構圖

WXG—4 型旋光儀是一種實用儀器，具有調節簡單，讀數快捷的特點。儀器的實體如圖1，光學結構如圖2。

從鈉光燈射出的光線，經起偏鏡變成線偏振光，在半波片（勞倫特石英板裝置）處產生三分視場。其原理和視場可用圖3說明。在圖3中，半波片晶軸方向用Z表示。起偏鏡的透振方向用P1表示，檢偏鏡的透振方向用P2表示，Z與P1之間的夾角θ稱為蔭視角，一般在2～10度之間。半波片的大小約為視場的三分之一，置于視場中央，偏振方向與半波片光軸夾角為θ的線偏振光經過半波片，出射時仍為線偏振光，但偏振方向繞光軸旋轉2θ角，用P1ˊ表示。經過半波片的光（中央部分）與未經過半波片的光（兩邊部分）雖然都是線偏振光，但偏振方向不同，經檢偏鏡后，就形成三分視場。