物質(zhì)的旋光性及其測(cè)定

1、物質(zhì)的旋光性及其測(cè)定一、旋光的概念 線偏振光在通過(guò)某些物質(zhì)后，它的振動(dòng)面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光。某些物質(zhì)具有能，使線偏振光發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱(chēng)為旋光性。這些具有旋光性的物質(zhì)，稱(chēng)為旋光物質(zhì)。 1811年法國(guó)物理學(xué)家Arago首先發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線偏振光沿光軸方向在石英中傳播時(shí)，偏振光的振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。大約同時(shí)，Boit在各種自然物質(zhì)的蒸氣和液態(tài)形態(tài)下也看到了同樣的現(xiàn)象，他還發(fā)現(xiàn)有左旋和右旋兩種情況。1822年，Herschel發(fā)現(xiàn)石英中的左旋和右旋是源于石英的左旋和右旋兩種不同的結(jié)構(gòu)。研究物質(zhì)的旋光性不僅在光學(xué)有特殊意義，在化學(xué)和生物學(xué)上也有深遠(yuǎn)的影響。 影響物質(zhì)旋光性的因素很多。了解影響物質(zhì)旋光

2、性的因素對(duì)物質(zhì)旋光性的測(cè)量和應(yīng)用是很重要的。偏振光通過(guò)某些晶體或某些物質(zhì)的溶液以后，偏振光的振動(dòng)面將旋轉(zhuǎn)一定的角.如圖273所示，這個(gè)角稱(chēng)為旋光角.它與偏振光通過(guò)溶液的長(zhǎng)度L和溶液中旋光性物質(zhì)的濃度C成正比，即 (272)式中稱(chēng)為該物質(zhì)的旋光率.如果L的單位用dm，濃度C定義為在1cm溶液內(nèi)溶質(zhì)的克數(shù)，單位用gcm，那么旋光率的單位為（）cm(dmg).實(shí)驗(yàn)表明，同一旋光物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的旋光率.因此，通常采用鈉黃光(5893nm)來(lái)測(cè)定旋光率.旋光率還與旋光物質(zhì)的溫度有關(guān).如對(duì)于蔗糖水溶液，在室溫條件下溫度每升高(或降低)1，其旋光率約減小(或增加)0024cm(dmg).因此對(duì)于所

3、測(cè)的旋光率，必須說(shuō)明測(cè)量時(shí)的溫度.二、旋光率的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)中利用小型旋光儀測(cè)定葡萄糖的旋光率及未知溶液的濃度。實(shí)驗(yàn)原理書(shū)中已有詳細(xì)解釋?zhuān)谶@我想闡述一下三分視場(chǎng)的形成。實(shí)驗(yàn)中為提高測(cè)量精度，采用半蔭法測(cè)量。其原理是在起偏鏡后面加一塊石英晶體片，石英片和起偏鏡的中部在視場(chǎng)中重疊，如圖275所示，將視場(chǎng)分為三部分.并在石英片旁邊裝上一定厚度的玻璃片，以補(bǔ)償由于石英片的吸收而發(fā)生的光亮度變化，石英片的光軸平行于自身表面并與起偏鏡的偏振化方向夾一小角(稱(chēng)影蔭角).由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏鏡后變成偏振光，其中一部分再經(jīng)過(guò)石英片，石英是各向異性晶體，光線通過(guò)它將發(fā)生雙折射.可以證明，厚度適當(dāng)?shù)氖⑵瑫?huì)使穿過(guò)它

4、的偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角，這樣進(jìn)入測(cè)試管的光是振動(dòng)面間的夾角為的兩束偏振光. 在圖276中, OP表示通過(guò)起偏鏡后的光矢量，而OP則表示通過(guò)起偏鏡與石英片后的偏振光的光矢量，OA表示檢偏鏡的偏振化方向，OP和OP與OA的夾角分別為和，OP和OP在OA軸上的分量分別為.轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡時(shí)，的大小將發(fā)生變化，于是從目鏡中所看到的三分視場(chǎng)的明暗也將發(fā)生變化(見(jiàn)圖276的下半部分).圖中畫(huà)出了四種不同的情形：(1).從目鏡觀察到三分視場(chǎng)中與石英片對(duì)應(yīng)的中部為暗區(qū)，與起偏鏡直接對(duì)應(yīng)的兩側(cè)為亮區(qū)，三分視場(chǎng)很清晰.當(dāng)時(shí)，亮區(qū)與暗區(qū)的反差最大.(2) .三分視場(chǎng)消失，整個(gè)視場(chǎng)為較暗的黃色.(3) .視場(chǎng)又分為三部分，

5、與石英片對(duì)應(yīng)的中部為亮區(qū)，與起偏鏡直接對(duì)應(yīng)的兩側(cè)為暗區(qū).當(dāng)時(shí)，亮區(qū)與暗區(qū)的反差最大.(4) .三分視場(chǎng)消失.由于此時(shí)OP和OP在OA軸上的分量比第二種情形時(shí)大，因此整個(gè)視場(chǎng)為較亮的黃色.由于在亮度較弱的情況下，人眼辨別亮度微小變化的能力較強(qiáng)，所以取圖276(2)情形的視場(chǎng)為參考視場(chǎng)，并將此時(shí)檢偏鏡偏振化方向所在的位置取作度盤(pán)的零點(diǎn).實(shí)驗(yàn)時(shí)，將旋光性溶液注入已知長(zhǎng)度L的測(cè)試管中，把測(cè)試管放入旋光儀的試管筒內(nèi)，這時(shí)OP和OP兩束線偏振光均通過(guò)測(cè)試管，它們的振動(dòng)面都轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度，并保持兩振動(dòng)面間的夾角為不變.轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡使視場(chǎng)再次回到圖276(2)狀態(tài)，則檢偏鏡所轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是被測(cè)溶液的旋光角.三、

6、測(cè)量固體的旋光率 光線射入透明固體，并不一定發(fā)生旋光現(xiàn)象。只有沿旋光物質(zhì)的光軸方向入射才會(huì)發(fā)生旋光現(xiàn)象。因此，測(cè)量固體旋光率，首先應(yīng)確定固體的光軸方向。測(cè)量固體旋光率，首先將固體沿其光軸方向加工成圓柱形。長(zhǎng)度為L(zhǎng)。然后即可按測(cè)量液體的方法來(lái)測(cè)量透明固體的旋光率了。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：檢偏器偏振面旋轉(zhuǎn)待測(cè)物質(zhì)二部分偏振光半蔭片線偏振光起偏器非偏振光單色光源眼睛四、物質(zhì)旋光性的定性解釋及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)書(shū)中給出了旋光現(xiàn)象的唯象解釋?zhuān)壕€偏振光可以看作是等強(qiáng)度的左旋和右旋圓偏振光的疊加，當(dāng)光在旋光介質(zhì)中傳播時(shí)，由于兩種偏振光傳播速度不同，傳播一定距離后，由于二者相位的差別，合成后的偏振光振動(dòng)方向便不同于初始方向，即轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。我上網(wǎng)查了一下關(guān)于旋光性的解釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)物質(zhì)的旋光性是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，需要用量子力學(xué)來(lái)處理。也有很多從不同角度來(lái)解釋的。從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上說(shuō)旋光性來(lái)源于分子本身或分子在晶體中排列的不對(duì)稱(chēng)性。如果分子本身的結(jié)構(gòu)既無(wú)對(duì)稱(chēng)中心又無(wú)對(duì)稱(chēng)平面，則分子以互為鏡像的兩種形態(tài)存在，分別對(duì)應(yīng)右旋和左旋兩種情形。晶體的旋光性既可來(lái)源于分子排列的不對(duì)稱(chēng)性