biofiz M9 02 - Biofizyka - Loren96

biofiz M9 02.doc
(145 KB) Pobierz
Zuzanna Lewandowska,
Małgorzata Maciejewska
Gr. VI
Zespół nr 4
Skręcalność optyczna roztworów. Pomiar stężenia substancji optycznie czynnych za
pomocą polarymetru. Wyznaczanie stężenia roztworów metodą refraktometryczną.
Zagadnienia:
1. Falowa i kwantowa teoria światła.
2. Zjawisko odbicia i załamania światła. Współczynnik załamania światła.
3. Całkowite wewnętrzne odbicie.
4. Zjawisko polaryzacji. Metody polaryzacji światła.
5. Przejście światła przez pryzmat Nikola.
6. Substancje optycznie czynne. Wyznaczanie stężeń substancji optycznie czynnych za
pomocą polarymetru.
Ad. 1
Falowa teoria światła zakłada, że światło jest falą elektromagnetyczną, czyli zaburzeniem
pola elektromagnetycznego, rozchodzącym się w przestrzeni z bardzo dużą prędkością. Odkrycie
zjawisk dyfrakcji i interferencji stało się dowodem na to, że światło jest falą. Dodatkowo
zjawisko polaryzacji pokazało, że jest to fala poprzeczna.
Albert Einstain wykorzystując hipotezę kwantów (M. Planck, 1900r.) opublikował w
1905r. nową teorię kwantową światła zakładającą, że światło rozchodzi się w określonych
porcjach energii, zwanych kwantami. Teoria ta nawiązuje do teorii korpuskularnej światła
(Newton), zakładające, że rozchodzenie się światła polega na prostoliniowym ruchu maleńkich
cząstek (korpuskuł) wylatujących ze źródła. W mikroukładach (np. elektron w atomie) niektóre
wielkości opisujące elektron mogą przyjmować tylko określone wartości, a tym samym mogą one
zmieniać się tylko o określone wielkości. Tak określone porcje nazywane są kwantami.
W przypadku oddziaływań elektromagnetycznych kwant energii nosi nazwę fotonu i jest równy hν,
gdzie h - stała Plancka, ν - częstość emitowanej lub absorbowanej fali elektromagnetycznej. Jeśli
dostarczymy energię do atomu to elektrony przenoszą się na wyższy poziom energetyczny (wyższy
orbital – upraszczając : wieksza energia wyrzuca je podobnie jak siła odśrodkowa w mechanice
klasycznej na większe koło). Elektron powracając ze stanu wzbudzenia na niższą orbitę emituje
kwant energii hν (to „fał”to jest greckie „ni”). Kwantowość oznacza, ze nie może zająć
dowolnego promienia, ale tylko ściśle określone orbity. Tak samo przy powrocie, elektron może
wrócić na orbital podstawowy albo jakiś inny po drodze o mniejszym stopniu wzbudzenia. Czyli
atom może emitować określone tylko porcje energii (kwanty) zależne od tego, który elektron
skąd dokąd powraca. Ale Atom nie może wyemitować energii o dowolnej wartości. Jak się
żelastwo podgrzeje w kuźni to świeci bo elektrony emitują kwanty światła. W przypadku
oddziaływań elektromagnetycznych kwant energii nosi nazwę fotonu. Jak się podgrzeje bardziej to
świeci bardziej żółtym światłem niż czerwonym – bo wracają z wyższych orbit. W zależności od
długości fali fale e-m określa się mianem fal radiowych (długich, średnich, krótkich, ultrakrótkich i
mikrofal), fal świetlnych (podczerwonych, widzialnych i ultrafioletowych), promieni Roentgena (X) i
promieniowania gamma. W ujęciu kwantowym, zgodnie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego,
fale elektromagnetyczne o częstotliwości ν są strumieniami fotonów o energii E = hν, gdzie h – stała
Plancka.
Ad.2
Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Typowe odbicie
zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo
w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. Prawo odbicia:
Kąt odbicia równy jest kątowi padania. Kąty - padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie.
Załamanie światła następuje wskutek zmiany prędkości rozchodzenia się światła w
różnych ośrodkach. Promień świetlny przechodząc z ośrodka 1 do 2 zmienia prędkość fali, a co
za tym idzie także jej długość.
Współczynnik załamania pozwala określić kierunek biegu promieni załamanych. Współczynnik
zależy od materiałów, a dla danych materiałów także od długości fali.
Fale elektromagnetyczne są jedynym rodzajem fali mogącym rozchodzić się w próżni
(rozchodzą się ze stałą prędkością c=3*103 m/s), c=3*108 m/s
stąd bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka materialnego(n) to stosunek
prędkości światła w próżni (c) do prędkości światła w danym ośrodku (v). n=c/v
Względny współczynnik załamania dwóch ośrodków względem siebie to stosunek
bezwzględnych współczynników załamania tych ośrodków.
– prędkość światła w substancji A,
– prędkość światła w substancji B.
Prędkość światła w ośrodku zależy od częstotliwośći (w zakresie widzialnym –koloru) fali.
Dlatego w kropelkach deszczu następuje rozszczepienie (dyspersja) światła białego na składowe
kolory. Bo różnią się one nieco częstotliwością i różnie się załamują) Ponieważ współczynnik
załamania jest jedną z podstawowych własności fizycznych substancji, jest wykorzystywany do
identyfikowania substancji, określania jej czystości czy pomiaru jej stężenia. W ten sposób bada
się ciała stałe (szkła, kryształy i kamienie szlachetne), gazy i ciecze. Często w oparciu o
współczynnik załamania bada się stężenie substancji w roztworach ciekłych. Przyrządem
używanym do pomiaru współczynnika załamania jest refraktometr.
Ad.3
Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal, w tym dla
światła, występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na
tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod
kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu
odbiciu. Czyli w basenie będąc blisko powierzcni i patrząc pod dużym kątem rzędu 85* (- kąt
mierzy się od prostej normalnej czyli prostopadłej) czyli patrząc niemal wzdłuż powierzchni nie
zobaczymy tego co jest nad wodą tylko odbicie ściany basenu
Ad.4
Światło z naturalnych źródeł charakteryzuje się tym, że drgania fali rozchodzą się we
wszystkich kierunkach. Polaryzacja światła prowadzi do sytuacji gdzie drgania poprzeczne fali
sprowadzone są do jednej płaszczyzny - płaszczyzny polaryzacji.
Mówiąc o świetle spolaryzowanym musimy pamiętać, że przeważnie jest ono mieszaniną światła
niespolaryzowanego i spolaryzowanego.
Stopień polaryzacji p określa się zgodnie z wzorem:
p = (Imax- Imin)/( Imax+Imin),
gdzie: Imax i Imin to maksymalne i minimalne natężenia światła o wzajemnie prostopadłych
kierunkach polaryzacji.
Niektóre z substancji posiadają zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji. Nazywamy je
substancjami optycznie czynnymi. Są to np. roztwory cukrów, białek i kwasów nukleinowych.
Wielkością charakteryzującą każdą substancję optycznie czynną jest skręcalność właściwa:
α0= α/lc
Liczbowo wielkość ta jest równa kątowi α, o jaki zostaje skręcona płaszczyzna polaryzacji
podczas przejścia światła przez roztwór o jednostkowym stężeniu (c=1g/cm3) i jednostkowej
grubości warstwy (l=1dm)
Metody polaryzacji światła:
1. Odbijając od powierzchni dielektryków, wiązka światła odbita jest całkowicie
spolaryzowana, gdy kąt padania wynosi Φi jest określony przez stosunek współczynników
załamania obu granicznych ośrodków. Kąt taki nazywa się kątem Brewstera i spełnia
warunek:
tg Φ= n2/ n1
Promień odbity będzie spolaryzowany całkowicie liniowo, a promień załamany, który
tworzy kąt prosty z promieniem odbitym, będzie spolaryzowany częściowo.
2. Przepuszczając światło przez filtr polaryzacyjny (polaroid).
Polaroid jest przejrzystą płytką (celofan lub masa plastyczna) o grubości ok. 0,1mm, pokrytą
dużą liczbą drobnych, sztucznych kryształków, odgrywających rolę polaryzatorów. Często
bywają używane kryształki herapatytu (siarczanu jodochininy).
W procesie wytwarzania polaroidu osie optyczne wszystkich kryształków orientują się
w jednym określonym kierunku. Płytka polaroidu jest elastyczna, może mieć dowolne
rozmiary, tylko nieznacznie pochłania światło.
3. Przepuszczając światło przez ciała anizotropowe i uzyskując podwójne załamanie
(dwójłomność) .
Najczęściej stosowane w tym celu ciała to: kryształy szpatu islandzkiego (kalcyt - CaCO3),
z których wykonuje się pryzmaty polaryzujące światło, tzw. Pryzmaty Nicola.
Ad. 5
Pryzmat Nikola, w których wykorzystuje się zjawisko dwójłomności, są zasadniczymi
elementami polarymetrów lub sacharymetrów. Nikol składa się odpowiednio oszlifowanego,
przeciętego, a następnie sklejonego balsamem kanadyjskim kryształu szpatu islandzkiego.
Promień nadzwyczajny przechodzi przez nikol bez zmiany kierunku i można go wykorzystać
jako źródło światła liniowo spolaryzowanego. Promień zwyczajny doznaje całkowitego
wewnętrznego odbicia i zostaje usunięty poza pryzmat.
Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do energii drgań świetlnych, a więc do kwadratu
amplitudy drgań A, więc stosunek natężenia światła wychodzącego I do natężenia światła
padającego I0 można przedstawić za pomocą wzoru:
I/I0 = (A cos β)2 / A2 = cos2β
Skąd:
I = I0 cos2β
<-prawo Malusa
Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt
CaCO3), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem
kanadyjskim. Oś optyczna (na schemacie odcinek OP) jest równoległa do powierzchni na którą
pada promień. Promień światła po wejściu do kryształu, rozszczepia się więc na dwa promienie
spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny (oznaczony przez o, z
polaryzacją prostopadłą do rysunku - co symbolizują kropki) i nadzwyczajny (oznaczony przez
e, z polaryzacją równoległą do rysunku - co symbolizują kreski). Oba promienie biegną w
krysztale po tej samej drodze, ale z inną prędkością.
Współczynnik załamania balsamu kanadyjskiego wynosi nbk = 1,550, ma wartość pośrednią
między współczynnikiem załamania dla promienia zwyczajnego no = 1,658 i dla nadzwyczajnego
ne = 1,486. Balsam jest więc dla promienia zwyczajnego optycznie rzadszy, a dla
nadzwyczajnego gęstszy. Kąt przecięcia pryzmatu jest tak dobrany, aby kąt padania A na
powierzchnię balsamu, był dla promienia zwyczajnego większy od kąta granicznego
całkowitego wewnętrznego odbicia, a dla promienia nadzwyczajnego mniejszy od kąta
granicznego. Tak więc promień zwyczajny odbija się od balsamu i jest absorbowany na
czarnej ściance pryzmatu (na schemacie dolnej), natomiast promień nadzwyczajny
przechodzi przez balsam i dalej przez cały pryzmat. Zaletą pryzmatu Nicola jest
uzyskiwanie fali całkowicie spolaryzowanej, bez zmiany kierunku jej biegu.
bo twojego opisu nie rozumiałem
Ad.6
Substancje optycznie czynne to substancje wykazujące aktywność optyczną, czyli
skręcające płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo w prawo (możemy
oznaczać znakiem „+”) lub w lewo („-”) o pewien, charakterystyczny dla danej substancji kąt.
Aktywność ta jest wynikiem specyficznej budowy cząsteczek związku (np.obecność atomów
asymetrycznych, budowa helikalna) lub szczególnego rozmieszczenia atomów bądź jonów w
komórkach elementarnych kryształów.
Substancjami optycznie czynnymi są na przykład roztwory cukrów, białek.
Różne substancje naturalne pochodzenia organicznego są wyłącznie prawoskrętne.
Stężenia roztworów optycznie czynnych wyznacza się z użyciem polarymetrów. Do
wykonania pomiaru wykorzystuje się światło sodowe o długości fali 589nm. Światło z żarówki
przechodzi kolejno przez: żółty filtr, polaryzator, płytkę Laurenta (dzielącą obserwowane pole na
trzy kontrastowo oświetlone części), następnie spolaryzowana już wiązka światła trafia
do naczynia z roztworem, przechodzi przez analizator (nikol) i trafia do lunetki. Kąt skręcenia
można odczytać w chwili uzyskania równomiernego oświetlenia całego pola widzenia.
Wzór końcowy:
α
c= ----α0srl
c
g/cm...
α
l
αśr
α0
Plik z chomika:
Loren96
Inne pliki z tego folderu:

14a.jpg (466 KB)
14a_1.jpg (477 KB)
 14b.jpg (475 KB)
 14b_1.jpg (472 KB)
 14c.jpg (455 KB)

Inne foldery tego chomika:

Anatomia
Dokumenty
 Galeria
 Prywatne
 zachomikowane

Zgłoś jeśli naruszono regulamin







Strona główna
Aktualności
Kontakt
Dla Mediów
Dział Pomocy
Opinie
Program partnerski




Regulamin serwisu
Polityka prywatności
Ochrona praw autorskich
Platforma wydawców
Copyright © 2012 Chomikuj.pl
αx
cx