旋光仪的改进和实验功能拓展

邱 菊,严 峰,胡国琦,殷 飞,薛红玲

(北京工业大学实验学院北京101101)

1 引 言

目前用于大学物理实验中的旋光仪有2种测量方法:第一种在测定旋转角度时,采用三分视野法,用肉眼判断最大或最小光强,因此测量结果受实验者的判断力影响很大,具有一定的不确定性;第二种在第一种基础之上,增加了光功率计,用光功率计测量和显示最大和最小光强,虽然较三分视野法的误差小,但是由于光强在最大和最小附近的变化率都非常小,对最大光强或最小光强对应的角位置的确定也存在一定的误差.以上2种方法都是从检偏器的刻度盘上读取旋光物质的旋转角,进而推算溶液的浓度.

本仪器采用光电传感器及单片机控制系统进行光强测量.测量中不对最大光强或最小光强进行取样测量,而对光强随角度变化快的中间光强进行取样测量,提高了测量的准确性.该仪器还具有测量溶液浓度和旋光率的两套测量系统,能够输入标准样品的浓度,并实现了旋转角、溶液浓度、旋光率等测量结果的自动显示,使测量简单易行.本仪器的设计测量方法除了可以用于物理实验教学,还可以用于生产检测等领域.

2 实验原理

线偏振光经过旋光溶液后,其偏振面旋转角度为φ,且

其中,α为旋光物质的旋光率,l为光在溶液中走过的路程,c为溶液的浓度.对同一种物质,α与偏振光的波长有关.如果α和l确定,测出旋转角度φ,即可计算溶液的浓度.反之,如果已知 l和c,测出旋转角度φ,还可以计算α.因此问题的关键是测量旋转角度φ.

3 常规测量方法及其存在的问题

图1为测量装置图,其中 P1为起偏器,P2为检偏器.根据马吕斯定律,检偏器 P2上入射光强I0与出射光强 I的关系为

其中φ为P2上入射与出射线偏光偏振面的夹角,不加待测溶液时,就是2个偏振片的偏振化夹角.

图1 常规测仪装置图

在不加待测溶液时,旋转检偏器 P2,使出射光强最大.之后放上待测旋光溶液,由于旋光效应,通过P2的光强变弱.旋转 P2,使出射光强再次变为最大,P2转过的角度,就是溶液的旋光角度φ,该角度可从 P2的刻度盘上读出.确定了φ以后,就可根据式(1)计算溶液浓度或旋光率.

该方法存在的问题:

1)最大光强的判断存在误差;

2)刻度盘的精度低,对测量结果有影响;

3)需要人工读取φ并计算c或α.

4 测量方法的改进

4.1 改进一

设计装置如图2所示,将图1中的接收装置换为光电接收装置,并连接到多功能旋光仪主机上,在主机显示屏上自动显示和记录实时光强、最大光强和最小光强.

图2 改进装置图

在不加待测溶液时,旋转检偏器 P2,使入射到接收装置上的光强最大,记为 I0.之后放上待测旋光溶液,检偏器上入射光的偏振面旋转φ角,此时出射光强记为 I.在不考虑溶液对入射光的散射等因素的情况下,可以根据式(2)计算φ.但事实是溶液散射等因素对入射光的强度影响很大,导致入射到检偏器P2上的光强较 I0小很多.为了修正 I0的测量误差,可以考虑在放入待测溶液之前,先放上和待测溶液样品管等长的非旋光溶液,由此测量 I0,但是不能保证2种溶液对光强的减弱是相同的,同时又会因为2种溶液样品管长度不完全相同而引入附加的误差因素.

经实验研究后,改进了测量方法.在不加待测溶液前,旋转 P2,通过光电接收系统的实时检测找到出射光强最大的位置,此时2个偏振片的偏振化方向平行.放入待测溶液后,由于旋光和散射等因素的影响,光电接收装置测量的光强为I.旋转P21周,光电接收装置能自动记录出射光的最大强度 I1和最小强度 I2,根据马吕斯定律,有

(3)式中两侧减去 I2是为了消除偏振片不能完全消光和环境中的杂散光引入的误差.由此可测量经过待测旋光溶液的旋光角度φ,进而求浓度或旋光率.

本测量方案中的 I,I1,I2都是在有待测溶液的条件下测量的,因此避免了散射引起的测量误差,同时还修正了偏振片不能完全消光以及杂散光引入的附加误差.

另外实验仪器能够自动捕捉并记录 I,I1和I2,自动计算和显示各个测量结果.

4.2 改进二

在按照上述方案进行实验过程中,放入待测样品之前,需要旋转检偏器 P2,通过光电接收装置和主机显示找到出射光强最大的位置.但是在实验过程中发现,在最大光强和最小光强附近,光强随旋转角度的变化都非常小,在还没有达到最大光强对应的角度时,由于环境的扰动,就可能出现光强瞬间超过最大光强的情况,因此仪器记录的最大光强对应的旋转角位置与理论位置存在一定的偏差,从而使结果出现误差.这种现象出现的原因是由于光强随旋转角度的变化关系可以转换为如图3所示的余弦函数形式,而在余弦函数的极值位置A和B处,函数的变化率小.

通过图3可以发现,位于A和B位置中间的C处附近,光强随角度的变化快,C点光强和周围各点光强区分度大,因此根据光强确定 C点对应的角位置要比确定A点角位置准确.

图3 检偏器出射光强的变化

从理论知,C点出射光对应的偏振化方向和最大光强 I1对应的偏振化方向夹角为45°(如图4所示),光强 IC应为所以根据仪器能识别的最大和最小光强就可以知道C点光强的量值.

图4 各光强对应的角位置的相对分布

测量方案是在没有待测样品的情况下,旋转检偏器P21周,仪器自动捕捉最大和最小光强 I1和 I2,并自动计算和显示 IC,之后转动P2,当主机显示当前光强等于 IC的量值时,固定P2的位置,该位置对应的就是图3中的C点.

放上待测样品,如图4所示,最大光强 I1对应的角位置旋转角度φ,仪器记录当前P2出射光强为 I.之后旋转P21周,仪器自动捕捉最大和最小光强 I1和 I2.则有

由此可确定旋转角度φ,进而可求浓度或旋光率.

实验证明,利用 C点进行测量,准确度高于利用A点或者B点进行测量的结果,因此,我们制作的仪器采用C点取样测量的方法.

5 多功能旋光仪的测量功能

考虑到待测溶液的浓度的不同,制备了2种长度的样品管,测量时可在仪器的显示菜单项目中选择样品管的种类.

5.1 测量旋光率

配制浓度c已知的溶液,在仪器上选择装溶液的样品管的长度l.不装样品管时通过测量 I1和 I2,得知 IC的值,将 P2调至 C点对应的角位置.放上样品管之后,测定P2出射光强 I,并再次旋转P2测量 I1和 I2,由式(5)计算旋转角度φ,进而求旋光率.要说明的是我们制作的仪器能够自动记录 I,I1和 I2,可以输入标准样品浓度,并直接显示旋转角和旋光率的测量结果.

5.2 测量溶液浓度

选择2个长度相同的样品管,分别装上浓度c1已知的标准样品和浓度 c2未知的待测样品.按照前述方法分别测量2种样品的旋光角度φ1和φ2,则φ1=αlc1,φ2=αlc2,由此可得

此种测量方法的优点是不必考虑旋光率随波长及温度的改变,可以使用任意单色光源.

5.3 用常规方法测量旋光角度

本仪器中的检偏器 P2上带有分度值为1°的刻度盘,学生还可以从 C点取样,用常规方法测量旋光角度,并把2种测量方法得到的结果进行对比分析.

6 光电接收和自动检测的实现

本仪器的光接收系统采用输出电流和入射光强成线性关系的光电传感器.通过单片机实现信号的自动识别、检测和处理,系统能够实现待测参量的选择、测量样品管长度的选择、可以输入标准样品的浓度.与传统的教学用旋光仪相比,本仪器的测量准确度高,测量简单,速度快.

[1] 杨小勇.旋光仪三分视野原理和零度视野确定[J].仪器仪表与分析监测,2001,(1):22-23.

[2] 于晓红,连洁,龙爱群,等.WXG-4型旋光仪三分视场亮暗调节[J],物理实验,2010,20(3):32-34.

[3] 复旦大学.物理化学实验[M].2版.北京:高等教育出版社,1993:31-34.