蔗糖溶液旋光效應的實驗研究

王曉萌，王世燕，李 靜

（中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580）

蔗糖溶液旋光效應的實驗研究

王曉萌，王世燕，李 靜

（中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580）

采用自行搭建的旋光儀分別測量了不同波長的入射單色光對不同濃度蔗糖溶液旋光度的影響，分析了蔗糖溶液旋光率隨波長的變化關系，并對蔗糖溶液的左旋、右旋特性進行判斷。自行搭建的實驗裝置有助于對旋光效應產生更直觀的認識和理解，對教學內容起到豐富和拓展作用。該裝置也適用于對液體、固體等旋光介質旋光效應的測量。

不同波長單色光；旋光效應；旋光度；旋光率

偏振光通過某些物質后，光振動面會以光傳播方向為軸發生旋轉，這種現象叫做旋光效應。不同的旋光物質具有不同的旋光效應。旋光物質具有左旋屬性或右旋屬性，對于偏振面沿光軸順時針旋轉的稱為左旋屬性，具有右旋屬性的物質則相反［1-2］。研究旋光物質的旋光效應不僅在光學上有特殊意義，在制藥、制糖、香料、石油等工業上也有廣泛的應用［3-5］。

在大學物理實驗教學中，液體旋光效應研究這一實驗項目，通常采用調整三分視場尋找暗場以測定旋光度的實驗方法，研究單一波長光源對不同濃度蔗糖溶液旋光效應的影響。本文在此基礎上，采用自組裝的旋光儀測量了473，532，589，650 nm共4種不同波長的單色光光源對不同濃度蔗糖溶液旋光效應的影響，并對蔗糖溶液的左旋、右旋特性進行判斷。通過該實驗，會加深學生對偏振光、旋光效應及旋光儀內部結構的理解，對旋光率隨入射波長的變化有一定的認識，同時也可以完善和拓展大學物理實驗有關旋光效應的實驗內容。

1 實驗原理

偏振光沿光軸在旋光介質中傳播時，振動面發生旋轉的效應稱為旋光效應。旋光物質種類眾多，主要可分為左旋和右旋兩種。偏振光經過旋光物質后，偏振光振動面沿軸旋轉過的角度稱為旋光度，記為φ。根據有關文獻可知，旋光度φ與旋光介質的長度L有關［6］:式中，a為旋光介質的旋光率，是表征介質旋光特性的重要物理量。對于同一旋光介質，在溫度一定時，旋光率隨著入射波長的變化而發生改變。通常將旋光率與波長的變化關系叫作旋光率色散，一般用旋光率色散曲線（旋光率隨入射波長變化曲線）描述。對于液體旋光介質而言，旋光度不僅和旋光介質的長度有關，還受到旋光溶液濃度的影響。液體旋光介質的旋光度表示為:

對于特定波長的入射光而言，如果已知溶液的長度L和濃度C，通過測量旋光度可以計算出旋光率a，從而問題轉化為測量旋光度與波長的變化關系。下面以蔗糖溶液介質為例測量不同濃度下的旋光率色散曲線。

2 實驗裝置及實驗方法

將單色光光源、起偏器、樣品架、檢偏器、光電探測器（WPZ型光電檢流計）依次置于光學平臺上的光具座上。調節光路使光具座上各實驗器件共軸等高。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

實驗方法:

1）配置不同濃度的蔗糖溶液。分別配置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g·mL-1共5種不同濃度的蔗糖溶液。將配置好的不同濃度的蔗糖溶液分別置于20 cm長的試管中。

2）按照圖1所示布置好實驗光路。在放置待測溶液前旋轉檢偏器直到發生完全消光為止（當數字檢流計的示數在最小值附近跳動即為完全消光），記下此時檢偏器的角度讀數。

3）搖晃待測溶液使其濃度均勻，將其平放在樣品架上，然后仔細調節光路使各光學器件等高共軸并注意此時檢流計的示數。同時，轉動檢偏器（注意檢偏器旋轉的方向，以確定蔗糖溶液是右旋物質還是左旋物質），直到再次出現完全消光為止，記下此時檢偏器轉過的角度即為該濃度下溶液的旋光度。按照步驟3）重復測量3次數據，從而求得旋光度的平均值。

4）替換入射光源，依次用473，532，589，650 nm波長的單色光光源重復測量步驟1）～步驟3）。

3 實驗結果與分析

實驗在室溫20℃下測量了4種不同波長光源下蔗糖溶液旋光度與溶液濃度的關系如圖2所示。圖中曲線分別為對不同波長下的實驗數據作最小二乘法一元線性擬合后［7］所得，從圖2可以看出，在每種入射波長下，溶液旋光度與溶液濃度直線擬合度都很好，每條直線的斜率即為相應波長光源下所對應的蔗糖溶液的旋光度與濃度比值。根據式（2）可知，直線斜率除以溶液長度就得到了溶液的旋光率α。不同波長的入射光所對應的蔗糖溶液旋光率如表1所示，可以看出介質旋光率隨入射波長的紅移而減小。

圖2 不同波長下旋光度與溶液濃度的關系

查詢手冊得知溶液在溫度20℃，波長589 nm時的旋光率為53.0［（°）g-1·dm-1·mL］［8］，得到本實驗裝置測量相對誤差為5.35左右。

表1 不同波長下蔗糖溶液旋光率

圖3 旋光率色散曲線

圖3為溶液旋光率隨波長變化曲線圖，曲線是對實驗數據擬合后得到的，可以看出溶液旋光率隨入射波長的增大而減小，所得旋光率色散曲線大致符合當溫度一定時，旋光率與入射波長的平方成反比的理論［9］。限于實驗條件，本實驗只選取了四種不同波長的單色光光源，要想得到精確的溶液旋光率色散曲線，就應該想辦法得到更多的不同波長的單色光。另外，在測量溶液旋光度時，為了達到再次消光，檢偏器將沿著光軸逆時針旋轉一定角度。通過檢偏器旋轉的方向可以判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋特性［10］的旋光介質。

4 結束語

通過用自行搭建的旋光實驗儀研究了蔗糖溶液的旋光效應。實驗顯示，通過檢偏器旋轉的方向判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋屬性的旋光物質。當溫度一定時（室溫20℃），不同入射光波長下，蔗糖溶液的旋光度的測量結果都很好，并且溶液旋光率隨著入射光波長的增大而有減小的趨勢。當然，要想得到準確的蔗糖溶液旋光率色散曲線還需得到更多不同波長的單色光。實驗除了可以讓學生更直觀地觀察旋光效應現象外，還增加了物質旋光效應與波長關系的研究，介質旋光屬性的判斷等內容，從而豐富、拓展了實驗教學內容；另外，該實驗裝置還可以對固體物質的旋光效應進行測定。

［1］高峻峰，孟玲菊.物質的絕對構型與旋光性的關系［J］.大學化學，2010，25（6）:41-47.

［2］馬克生.生物手性分子螺旋結構與旋光性的理論研究［D］.曲阜師范大學，2009.

［3］連會.旋光法測定蜂蜜中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量［J］.北京農業，2011（6）:7-8.

［4］李書光.大學物理實驗［M］.北京:科學出版社，2012:103-108.

［5］郭天葵，周述蒼，張戰士.不同光源對旋光效應實驗測量的影響［J］.實驗室研究與探索，2011，30（8）: 255-257.

［6］姜宗福，劉文廣，侯靜.物理光學導論［M］.北京:科學出版社，2011.

［7］周劍平.Origin實用教程:7.5版［M］.西安:西安交通大學出版社，2007:95-96.

［8］李景鎮.光學手冊［M］.西安:陜西省科學技術出版社，1986.

［9］張國城.具有溫補功能旋光儀引發的思考［J］.中國計量，2013（11）:80-81.

［10］左安友，袁作彬.在旋光實驗中判斷左、右旋物質的實驗探討［J］.物理通報，2004（3）:28-30.

Experiment Study of Rotation Effect of Sucrose Solution

WANG Xiaomeng，WANG Shiyan，LI Jing
（College of Science，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，China）

The effect of rotation angel on different concentration sucrose solution in different light sources is measured.The modified instrument can analyze the trend of rotation rate changes with the light source wavelength.Through rotating polarization analyzer，the sucrose solution attribute of left rotation or light rotation is measured.It is proven that the experiment instrument is used for a more intuitive and more profound understanding of the effect rotation，which enriches and expands the experiment teaching contents.In addition to the liquid media，the measurement method is also suitable for the solid media.

different wavelengths of light；rotation effect；rotation angle；rotation rate

O436.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.023

2015-03-03

中國石油大學（華東）教學實驗技術改革資助項目（SY-B201413）。

王曉萌（1989-），女，碩士，助理實驗師，主要從事物理實驗教學及管理工作。