蔗糖溶液旋光效应的实验研究

王晓萌，王世燕，李 静

（中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

蔗糖溶液旋光效应的实验研究

王晓萌，王世燕，李 静

（中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

采用自行搭建的旋光仪分别测量了不同波长的入射单色光对不同浓度蔗糖溶液旋光度的影响，分析了蔗糖溶液旋光率随波长的变化关系，并对蔗糖溶液的左旋、右旋特性进行判断。自行搭建的实验装置有助于对旋光效应产生更直观的认识和理解，对教学内容起到丰富和拓展作用。该装置也适用于对液体、固体等旋光介质旋光效应的测量。

不同波长单色光；旋光效应；旋光度；旋光率

偏振光通过某些物质后，光振动面会以光传播方向为轴发生旋转，这种现象叫做旋光效应。不同的旋光物质具有不同的旋光效应。旋光物质具有左旋属性或右旋属性，对于偏振面沿光轴顺时针旋转的称为左旋属性，具有右旋属性的物质则相反［1-2］。研究旋光物质的旋光效应不仅在光学上有特殊意义，在制药、制糖、香料、石油等工业上也有广泛的应用［3-5］。

在大学物理实验教学中，液体旋光效应研究这一实验项目，通常采用调整三分视场寻找暗场以测定旋光度的实验方法，研究单一波长光源对不同浓度蔗糖溶液旋光效应的影响。本文在此基础上，采用自组装的旋光仪测量了473，532，589，650 nm共4种不同波长的单色光光源对不同浓度蔗糖溶液旋光效应的影响，并对蔗糖溶液的左旋、右旋特性进行判断。通过该实验，会加深学生对偏振光、旋光效应及旋光仪内部结构的理解，对旋光率随入射波长的变化有一定的认识，同时也可以完善和拓展大学物理实验有关旋光效应的实验内容。

1 实验原理

偏振光沿光轴在旋光介质中传播时，振动面发生旋转的效应称为旋光效应。旋光物质种类众多，主要可分为左旋和右旋两种。偏振光经过旋光物质后，偏振光振动面沿轴旋转过的角度称为旋光度，记为φ。根据有关文献可知，旋光度φ与旋光介质的长度L有关［6］:式中，a为旋光介质的旋光率，是表征介质旋光特性的重要物理量。对于同一旋光介质，在温度一定时，旋光率随着入射波长的变化而发生改变。通常将旋光率与波长的变化关系叫作旋光率色散，一般用旋光率色散曲线（旋光率随入射波长变化曲线）描述。对于液体旋光介质而言，旋光度不仅和旋光介质的长度有关，还受到旋光溶液浓度的影响。液体旋光介质的旋光度表示为:

对于特定波长的入射光而言，如果已知溶液的长度L和浓度C，通过测量旋光度可以计算出旋光率a，从而问题转化为测量旋光度与波长的变化关系。下面以蔗糖溶液介质为例测量不同浓度下的旋光率色散曲线。

2 实验装置及实验方法

将单色光光源、起偏器、样品架、检偏器、光电探测器（WPZ型光电检流计）依次置于光学平台上的光具座上。调节光路使光具座上各实验器件共轴等高。实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

实验方法:

1）配置不同浓度的蔗糖溶液。分别配置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g·mL-1共5种不同浓度的蔗糖溶液。将配置好的不同浓度的蔗糖溶液分别置于20 cm长的试管中。

2）按照图1所示布置好实验光路。在放置待测溶液前旋转检偏器直到发生完全消光为止（当数字检流计的示数在最小值附近跳动即为完全消光），记下此时检偏器的角度读数。

3）摇晃待测溶液使其浓度均匀，将其平放在样品架上，然后仔细调节光路使各光学器件等高共轴并注意此时检流计的示数。同时，转动检偏器（注意检偏器旋转的方向，以确定蔗糖溶液是右旋物质还是左旋物质），直到再次出现完全消光为止，记下此时检偏器转过的角度即为该浓度下溶液的旋光度。按照步骤3）重复测量3次数据，从而求得旋光度的平均值。

4）替换入射光源，依次用473，532，589，650 nm波长的单色光光源重复测量步骤1）～步骤3）。

3 实验结果与分析

实验在室温20℃下测量了4种不同波长光源下蔗糖溶液旋光度与溶液浓度的关系如图2所示。图中曲线分别为对不同波长下的实验数据作最小二乘法一元线性拟合后［7］所得，从图2可以看出，在每种入射波长下，溶液旋光度与溶液浓度直线拟合度都很好，每条直线的斜率即为相应波长光源下所对应的蔗糖溶液的旋光度与浓度比值。根据式（2）可知，直线斜率除以溶液长度就得到了溶液的旋光率α。不同波长的入射光所对应的蔗糖溶液旋光率如表1所示，可以看出介质旋光率随入射波长的红移而减小。

图2 不同波长下旋光度与溶液浓度的关系

查询手册得知溶液在温度20℃，波长589 nm时的旋光率为53.0［（°）g-1·dm-1·mL］［8］，得到本实验装置测量相对误差为5.35左右。

表1 不同波长下蔗糖溶液旋光率

图3 旋光率色散曲线

图3为溶液旋光率随波长变化曲线图，曲线是对实验数据拟合后得到的，可以看出溶液旋光率随入射波长的增大而减小，所得旋光率色散曲线大致符合当温度一定时，旋光率与入射波长的平方成反比的理论［9］。限于实验条件，本实验只选取了四种不同波长的单色光光源，要想得到精确的溶液旋光率色散曲线，就应该想办法得到更多的不同波长的单色光。另外，在测量溶液旋光度时，为了达到再次消光，检偏器将沿着光轴逆时针旋转一定角度。通过检偏器旋转的方向可以判断出蔗糖溶液是一种具有右旋特性［10］的旋光介质。

4 结束语

通过用自行搭建的旋光实验仪研究了蔗糖溶液的旋光效应。实验显示，通过检偏器旋转的方向判断出蔗糖溶液是一种具有右旋属性的旋光物质。当温度一定时（室温20℃），不同入射光波长下，蔗糖溶液的旋光度的测量结果都很好，并且溶液旋光率随着入射光波长的增大而有减小的趋势。当然，要想得到准确的蔗糖溶液旋光率色散曲线还需得到更多不同波长的单色光。实验除了可以让学生更直观地观察旋光效应现象外，还增加了物质旋光效应与波长关系的研究，介质旋光属性的判断等内容，从而丰富、拓展了实验教学内容；另外，该实验装置还可以对固体物质的旋光效应进行测定。

［1］高峻峰，孟玲菊.物质的绝对构型与旋光性的关系［J］.大学化学，2010，25（6）:41-47.

［2］马克生.生物手性分子螺旋结构与旋光性的理论研究［D］.曲阜师范大学，2009.

［3］连会.旋光法测定蜂蜜中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量［J］.北京农业，2011（6）:7-8.

［4］李书光.大学物理实验［M］.北京:科学出版社，2012:103-108.

［5］郭天葵，周述苍，张战士.不同光源对旋光效应实验测量的影响［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）: 255-257.

［6］姜宗福，刘文广，侯静.物理光学导论［M］.北京:科学出版社，2011.

［7］周剑平.Origin实用教程:7.5版［M］.西安:西安交通大学出版社，2007:95-96.

［8］李景镇.光学手册［M］.西安:陕西省科学技术出版社，1986.

［9］张国城.具有温补功能旋光仪引发的思考［J］.中国计量，2013（11）:80-81.

［10］左安友，袁作彬.在旋光实验中判断左、右旋物质的实验探讨［J］.物理通报，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

中国石油大学（华东）教学实验技术改革资助项目（SY-B201413）。

王晓萌（1989-），女，硕士，助理实验师，主要从事物理实验教学及管理工作。