旋光實驗的拓展研究及測量＊

李麗榮，侯小娟，李林風，孫一博

（內蒙古科技大學理學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

旋光效應是指一束線偏振光在介質中傳播時振動面發生旋轉的現象[1-3]。通過對樣品旋光度的測量，可以分析確定物質的濃度、含量及純度等，廣泛應用于制藥、藥檢、制糖、食品、香料、味精、化工、石油等工業生產[4-5]。為了充實和豐富有關旋光效應的內容，拓寬對旋光度的測量手段和方法，本文研制了一種利用硅光電池和光敏電阻作為光電檢測手段自動測量旋光儀裝置。

1 原理

1.1 旋光效應

當線偏振光通過某些透明旋光物質，其振動面將以光的前進方向為軸線旋轉一定的角度，這種現象稱為旋光現象[1,6-7]。振動面旋轉的角度θ，稱為旋轉角或旋光度，振動面的轉角θ與管長L和溶液濃度ρ成正比，其比例關系為：

式中，比例系數α為該溶液的旋光率[1，7]，單位為（°·ml·g-1· dm-1）；管長L的單位是dm；溶液濃度ρ的單位為g/ml。測得旋光率后，可以根據測得的轉角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角θ隨波長λ變化的一種色散效應。同一旋光物質，由于不同波長的色光，相應地具有不同的旋光率，所以出射光中不同波長色光的振動面所旋轉的角度是不相同的，從而使得不同波長色光的振動面分開，這種現象稱為旋光色散[6-8]。該現象對拓展物理知識結構和內容非常重要，應該有這方面的學習和認知。

2 實驗裝置設計原理

基于旋光效應和旋光色散的測量原理，本實驗系統中光源部分采用波長可以改變的半導體激光器[9]，兩個偏振片一個做起偏器P1，另一個做檢偏器P2，起偏器始終處于固定狀態，檢偏器上安裝一個角度編碼器，角度編碼器將自動測量檢偏器的旋轉角度（即旋光度）并在顯示屏上輸出。檢偏器前面安裝一個可以拆卸的光敏電阻或者硅光電池作為光電檢測元件，把光電檢測的信號在顯示屏上輸出，自動檢測經過檢偏器的光強的相對變化[10-11]。實驗測量裝置工作原理如圖1 所示[12]。結合工作原理，研制的實驗儀器裝置實物如圖2 所示。

圖1 實驗裝置工作原理圖

圖2 實驗裝置實物圖

利用旋光效應測量濃度和旋光色散測量過程[6，13]：

（1）起偏器2 固定，旋轉檢偏器4，角度編碼器5 同時記錄檢偏器轉過的角度，分別用光敏電阻或者硅光電池檢測尋找輸出光強最小值，在屏上顯示出對應光強最小值的結果（即調節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，線偏振光的振動面在通過旋光性溶液后將轉過一定角度，重復過程（1），再重新找到光強最小值，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）改變半導體激光器的波長，波長分別可變為（405 nm,450 nm，532 nm，635 nm，650 nm），重復測量過程（1）和（2），即可求不同波長下的旋光性溶液的旋光度θ（θ=θ2－θ1），總結旋光率隨波長的變化規律。

3 數據測量及分析

以硅光電池為例：配制蔗糖溶液，在室溫（T=22.0 ℃）下，用分析天平配制質量濃度ρ=0.20 g/ml 的蔗糖溶液，裝入長度L=2 dm 的標準玻璃試管中。測量數據如下表1 所示。

表1 硅光電池測量蔗糖溶液波長與旋光度的關系

根據表1 數據繪制出ρ=0.20 g/ml 濃度葡萄糖溶液旋光率隨波長平方倒數的關系如圖3 所示。

若以(1/λ2)*106作為x，α作為y，對實驗測點進行線性擬合，得到結果為式中可看出：α與1/λ2有線性關系，其線性相關系數R2=0.998，達到線性顯著性水平，即在一定溫度和濃度下，葡萄糖溶液的旋光率與光波長平方的倒數線性相關[6]，對比圓盤旋光儀的光波長λ=589.3 nm，計算得到的旋光率α為40.77(°ml·g-1·dm-1)，與劉邵鵬等人[6]的測量結果40.95(°ml·g-1·dm-1)非常相近。證實了光波越長，旋光率α小。進一步說明該裝置用于旋光度和旋光色散的測定確實可行。

4 誤差分析

（1）實驗測量過程無需人工讀數，角度測量是角度編碼器按程序自動顯示，在每次測量中，起始值的變化會給測量帶來誤差，導致多次測量的重復性變差。但是該測量值是要計算的是角度的差值，對于單次測量，認為是誤差較小。

（2）光的單色性，光源中心不集中，這是導致誤差的主要來源。

（3）光電傳感器的分辨率低，尋找每次光強最小值，會對角度的位置測量帶來誤差。

5 結語

本文的測量系統使用了光電檢測元件測量相對光強，代替了傳統儀器的人眼判斷，用角度編碼器來自動測量檢偏器的旋轉角度，采用波長可以調節的半導體激光器，可以研究旋光色散的實驗內容。本裝置測量方法簡單準確，更能直觀研究旋光現象和旋光色散的實驗內容，同時還拓展了現代自動化測量手段的應用，有助于加深對光偏振概念的進一步理解和掌握。