WXG-4型旋光仪三分视场亮暗调节

2010-02-01于晓红龙爱群马跃进

物理实验 2010年3期

关键词：旋光光路视场

于晓红,连洁,龙爱群,马跃进

(山东大学信息科学与工程学院,山东济南250100)

1 引言

用旋光仪观察物质旋光性及测定物质旋光率是高校普通光学实验的基本内容之一.WXG-4型旋光仪在长期使用后,出现一些问题,导致测量精度下降,而厂家说明书说并未给出解决方法.笔者根据教学实践,分析了原因,研究出解决问题方法,使仪器恢复正常使用.

2 旋光实验原理

自然界有些物质具有旋光性,当线偏振光在旋光物质中传播时,振动面将旋转一定角度.测量不同浓度的旋光物质溶液放入光路中产生的旋光角,可以计算溶液的浓度及物质的旋光度.实验光路如图1所示[1]。

图1 旋光实验光路图

图1中半波片为一长方形石英片,位于光路截面的中央,将光路的圆形截面直径分割为三部分,两侧为空气,通过物目镜组看到的视场就是由此分割而成的三分视场.石英晶片的光轴方向与起偏器、检偏器的透振方向同位于垂直于仪器光轴的平面内(图2中CD方向).实验时起偏器透振方向固定,旋转检偏器,使其透振方向在图2的平面内旋转,通过目镜可以观察到亮暗连续变化的三分视场.检偏器透振方向转过360°的过程中,将产生4个特殊的三分视场,以此为例说明三分视场的原理.

图2 三分视场光强变化原理图

1)当P2与平行时,如图2(a),在视野中将观察到,中间部分较明亮,而两边较暗,视场如图3(a)所示.

图3 三分视场光强变化图

2)当P2与平行时,如图2(b),在视野中可以看到,中间部分较暗,而两边较亮,如图3(b)所示.

3)当P2与CD平行时,如图2(c),两边直接来自起偏器的光偏振方向与P2夹角为α,而中间经过半波片的光偏振方向与P2的夹角也是α,这样中间和两边的光偏振方向与P2夹角均为α,由马吕斯定律

可知,三分视场光强应当相同,视场均匀.由于仪器正常使用时α为10°左右,故此时视野呈较亮状态,且三分视场亮度均匀,如图3(c)所示.

4)当P2与AB平行时,如图2(d),两边直接来自起偏器的光偏振面与P2夹角为,而中间经过半波片的光偏振面与P2夹角也是这样中间和两边的光与检偏器夹角都是,由马吕斯定律

可知,三分视场光强应当相同,视场均匀,且视野呈较暗状态.如图3(d)所示.

由以上分析可知三分视场均匀亮[图3(c)],与均匀暗[图3(d)]时,检偏器透振方向角度相差因为暗视场下光强随角度变化的灵敏度比亮视场灵敏度要高,所以将三分视场均匀暗的位置作为仪器的读数位置.

测量时,先将纯净水样品放置在仪器光路中,旋转检偏器使三分视场均匀暗,读出数值作为仪器的零点,取出纯净水,再放入旋光溶液样品,再次旋转检偏器使三分视场均匀暗,读出的数值减去零点,即为该样品的旋光角.可见,判断三分视场亮度均匀且是暗视场,是保证实验正确操作的关键.

3 问题及解决方法

实验当中发现,无论怎样旋转检偏器,两次均匀视场[见图3(c)和图3(d)]的亮度差别不大,均较亮,没有明显的亮暗对比.学生在读数时容易混淆这两个三分均匀视场,导致读数错误(相差约90°),同时较亮视场下人眼灵敏度也降低,导致误差增加.分析(1)和(2)式可知,原因应该是和CD的夹角α太大,导致α与差别不大,进而导致2次均匀视场的亮度差别不大.要想获得2个明暗对比明显的均匀三分视场,就要减小α.

为此,先旋转检偏器,将三分视场的亮度调至均匀,保持检偏器透振方向不变,然后将仪器光路中的起偏器进行旋转,将均匀视场的亮度调至极低,但不至于全黑,以轻微旋转检偏器时人眼能分辨出三分视场界线为准.此时α角很小,约在10°左右,检偏器透振方向为AB.固定起偏器,使得α角固定.然后旋转检偏器至透振方向为CD时,可以观察到另一亮度均匀的三分视场,此时视场较亮,与较暗的视场亮度对比明显,两者很容易区分开.