旋光實(shí)驗(yàn)的拓展研究及測(cè)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(xiàn)偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[1-3]。通過(guò)對(duì)樣品旋光度的測(cè)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(shí)和豐富有關(guān)旋光效應(yīng)的內(nèi)容，拓寬對(duì)旋光度的測(cè)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(cè)手段自動(dòng)測(cè)量旋光儀裝置。

1 原理

1.1 旋光效應(yīng)

當(dāng)線(xiàn)偏振光通過(guò)某些透明旋光物質(zhì)，其振動(dòng)面將以光的前進(jìn)方向?yàn)檩S線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象[1,6-7]。振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度θ，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)角或旋光度，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)角θ與管長(zhǎng)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(zhǎng)L的單位是dm；溶液濃度ρ的單位為g/ml。測(cè)得旋光率后，可以根據(jù)測(cè)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(zhǎng)λ變化的一種色散效應(yīng)。同一旋光物質(zhì)，由于不同波長(zhǎng)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(zhǎng)色光的振動(dòng)面所旋轉(zhuǎn)的角度是不相同的，從而使得不同波長(zhǎng)色光的振動(dòng)面分開(kāi)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散[6-8]。該現(xiàn)象對(duì)拓展物理知識(shí)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(rèn)知。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理

基于旋光效應(yīng)和旋光色散的測(cè)量原理，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中光源部分采用波長(zhǎng)可以改變的半導(dǎo)體激光器[9]，兩個(gè)偏振片一個(gè)做起偏器P1，另一個(gè)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(gè)角度編碼器，角度編碼器將自動(dòng)測(cè)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(gè)可以拆卸的光敏電阻或者硅光電池作為光電檢測(cè)元件，把光電檢測(cè)的信號(hào)在顯示屏上輸出，自動(dòng)檢測(cè)經(jīng)過(guò)檢偏器的光強(qiáng)的相對(duì)變化[10-11]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置工作原理如圖1 所示[12]。結(jié)合工作原理，研制的實(shí)驗(yàn)儀器裝置實(shí)物如圖2 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

利用旋光效應(yīng)測(cè)量濃度和旋光色散測(cè)量過(guò)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(shí)記錄檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，分別用光敏電阻或者硅光電池檢測(cè)尋找輸出光強(qiáng)最小值，在屏上顯示出對(duì)應(yīng)光強(qiáng)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(xiàn)偏振光的振動(dòng)面在通過(guò)旋光性溶液后將轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，重復(fù)過(guò)程（1），再重新找到光強(qiáng)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(zhǎng)，波長(zhǎng)分別可變?yōu)椋?05 nm,450 nm，532 nm，635 nm，650 nm），重復(fù)測(cè)量過(guò)程（1）和（2），即可求不同波長(zhǎng)下的旋光性溶液的旋光度θ（θ=θ2－θ1），總結(jié)旋光率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。

3 數(shù)據(jù)測(cè)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(zhǎng)度L=2 dm 的標(biāo)準(zhǔn)玻璃試管中。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表1 所示。

表1 硅光電池測(cè)量蔗糖溶液波長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到結(jié)果為式中可看出：α與1/λ2有線(xiàn)性關(guān)系，其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2=0.998，達(dá)到線(xiàn)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(zhǎng)平方的倒數(shù)線(xiàn)性相關(guān)[6]，對(duì)比圓盤(pán)旋光儀的光波長(zhǎng)λ=589.3 nm，計(jì)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(cè)量結(jié)果40.95(°ml·g-1·dm-1)非常相近。證實(shí)了光波越長(zhǎng)，旋光率α小。進(jìn)一步說(shuō)明該裝置用于旋光度和旋光色散的測(cè)定確實(shí)可行。

4 誤差分析

（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程無(wú)需人工讀數(shù)，角度測(cè)量是角度編碼器按程序自動(dòng)顯示，在每次測(cè)量中，起始值的變化會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差，導(dǎo)致多次測(cè)量的重復(fù)性變差。但是該測(cè)量值是要計(jì)算的是角度的差值，對(duì)于單次測(cè)量，認(rèn)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(lái)源。

（3）光電傳感器的分辨率低，尋找每次光強(qiáng)最小值，會(huì)對(duì)角度的位置測(cè)量帶來(lái)誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

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