Determinarea Concentrației Soluțiilor optic-active cu Ajutorul Polarimetrului

Scopul teoretic al acestei lucråri de laborator este acela de a familiariza

studentul cu aspecte care ¡in de proprietå¡i ale undelor electromagnetice (în spe¡a

starea de polarizare a acestora), cu proprietå¡i pe care le pot manifesta anumite

materiale (anizotropia, activitatea opticå) ¿i cu utilizarea în scopul unor evaluari

cantitative a acestor proprietå¡i.

Scopul practic al acestei lucråri este acela de a måsura - cu ajutorul unui

instrument optic numit polarimetru — concentra¡ia unor solu¡ii optic active, prezente

în interiorul tuburilor plasate pe masa de lucru.

2. Teoria lucrårii

No¡iuni generale despre starea de polarizare a luminii ¿i metode

de modificare a acestei ståri

Lumina, ca orice radia¡ie electromagneticå, este - în conformitate cu ecua¡iile

Maxwell care descriu comportarea oricarui câmp de natura electromagneticå - o

undå transversalå. Asta înseamnå cå între direc¡iile de oscila¡ie ale vectorului

intensitate câmp electric E

r

, vectorului intensitate câmp magnetic H

r

¿i direc¡ia de

propagare (respectiv vectorul de undå k

r

) se formeazå un triedru drept (vezi

figura 1).

Fig. 1.

Planul format de vectorul E

r

¿i vectorul k

r

se nume¿te plan de oscila¡ie. Planul

format de vectorii H

r

¿i k

r

se nume¿te plan de polarizare. Cele douå plane astfel

definite sunt reciproc perpendiculare.

Deoarece toate fenomenele optice, care apar la interac¡iunea undelor electromagnetice

cu substan¡a, sunt datorate câmpului electric, planul de oscila¡ie este

singurul care prezintå importan¡a. Astfel, unda al cårei plan de oscila¡ie se men¡ine

(în timp ¿i în spa¡iu) este o undå plan (sau liniar) polarizatå.

Atomii surselor conven¡ionale de luminå emit complet necorelat, fiecare undå

elementarå emiså având o altå stare de polarizare. Prin urmare, lumina naturalå

(efectul prezen¡ei tuturor acestor trenuri de unde) este nepolarizatå.

Polarizarea luminii naturale se poate ob¡ine artificial, cu ajutorul unor

componente optice numite polarizori. La baza transformårii luminii naturale din

lumina nepolarizatå în luminå polarizatå stau urmatoarele fenomene fizice: reflexia

¿i refrac¡ia la suprafa¡a de separare a douå medii dielectrice ¿i izotrope,

birefringen¡a ¿i dicroismul, împrăştierea luminii, efectul Zeeman, etc.

Reamintim cå - la trecerea luminii printr-un mediu optic anizotrop - fasciculul

incident pe un asemenea mediu este, în general, descompus în douå fascicule dintre

care unul (fasciculul ordinar) se propaga în conformitate cu legile opticii geometrice

iar celalalt (fasciculul extraordinar) nu respectå aceste legi. Ambele fascicule

ob¡inute în aceste condi¡ii sunt polarizate liniar total, în planuri perpendiculare.

Acest fenomen, numit birefringen¡å (sau dublå refrac¡ie) apare la un numår mare

de substan¡e (cristaline sau amorfe) omogene, care sunt anizotrope pentru

fenomenele luminoase. Dintre numeroasele cristale birefringente, cel mai cunoscut

este carbonatul de calciu (CaCO3 ) cristalizat (calcit), cunoscut sub numele de spat

de Islanda (cristal izotrop uniax).

Prin lipirea (cu balsam de Canada) a douå jumatå¡i de spat de Islanda, tåiate la

un anume unghi, se ob¡ine o prismå Nicol. Avantajul pe care îl prezintå utilizarea

acestui dispozitiv în ansamblul unui montaj optic, este dat de faptul ca prisma Nicol

laså så treacå mai departe doar un fascicul total polarizat liniar în planul sec¡iunii

principale a nicolului (fasciculul extraordinar/raza extraordinarå).

Montajul experimental con¡ine douå prisme Nicol, una în scopul de a lucra cu

lumina polarizatå liniar (polarizor) iar cealaltå în scopul de a analiza rezultatul

ob¡inut (analizor).

Dacå între doi nicoli, unul polarizor ¿i celålalt analizor, care lucreazå în

extinc¡ie (au axele optice perpendiculare, deci ce trece de primul este total absorbit

de celalalt) se introduce o lamelå de cuar¡ tåiatå perpendicular pe axa sa opticå, se

observå apari¡ia luminii în câmpul nicolului analizor. Dacå înså se rote¿te analizorul

cu un unghi α, se constatå cå se regase¿te situa¡ia de extinc¡ie. Aceastå observa¡ie

dovede¿te cå lamela de cuar¡ a rotit planul de oscila¡ie al luminii liniar polarizate cu

exact acel unghi α. Descoperit experimental, fenomenul de rotire a planului de

oscila¡ie al luminii liniar polarizate poartå numele de polarizare rotatorie (vezi

figura 2) sau activitate opticå.

Substan¡ele care produc acest fenomen se numesc substan¡e optic active.

Exemple de substan¡e optic active sunt: unele cristale anizotrope (precum

cuar¡ul), diver¿i compu¿i organici (lactoza, zaharoza) ¿i evident solu¡ii ale acestora

precum ¿i unele gaze.

Unele din aceste substan¡e rotesc planul de oscila¡ie spre stânga

observatorului; ele se numesc levogire. Dacå efectul constå în rotirea planului de

oscila¡ie spre dreapta, substan¡ele optic active corespunzåtoare se numesc

dextrogire.