于曉紅,連 潔,龍愛群,馬躍進(jìn)

(山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東濟(jì)南250100)

1 引 言

用旋光儀觀察物質(zhì)旋光性及測定物質(zhì)旋光率是高校普通光學(xué)實驗的基本內(nèi)容之一.WXG-4型旋光儀在長期使用后,出現(xiàn)一些問題,導(dǎo)致測量精度下降,而廠家說明書說并未給出解決方法.筆者根據(jù)教學(xué)實踐,分析了原因,研究出解決問題方法,使儀器恢復(fù)正常使用.

2 旋光實驗原理

自然界有些物質(zhì)具有旋光性,當(dāng)線偏振光在旋光物質(zhì)中傳播時,振動面將旋轉(zhuǎn)一定角度.測量不同濃度的旋光物質(zhì)溶液放入光路中產(chǎn)生的旋光角,可以計算溶液的濃度及物質(zhì)的旋光度.實驗光路如圖1所示[1]。

圖1 旋光實驗光路圖

圖1中半波片為一長方形石英片,位于光路截面的中央,將光路的圓形截面直徑分割為三部分,兩側(cè)為空氣,通過物目鏡組看到的視場就是由此分割而成的三分視場.石英晶片的光軸方向與起偏器、檢偏器的透振方向同位于垂直于儀器光軸的平面內(nèi)(圖2中CD方向).實驗時起偏器透振方向固定,旋轉(zhuǎn)檢偏器,使其透振方向在圖2的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),通過目鏡可以觀察到亮暗連續(xù)變化的三分視場.檢偏器透振方向轉(zhuǎn)過360°的過程中,將產(chǎn)生4個特殊的三分視場,以此為例說明三分視場的原理.

圖2 三分視場光強變化原理圖

1)當(dāng)P2與平行時,如圖2(a),在視野中將觀察到,中間部分較明亮,而兩邊較暗,視場如圖3(a)所示.

圖3 三分視場光強變化圖

2)當(dāng)P2與平行時,如圖2(b),在視野中可以看到,中間部分較暗,而兩邊較亮,如圖3(b)所示.

3)當(dāng)P2與CD平行時,如圖2(c),兩邊直接來自起偏器的光偏振方向與P2夾角為α,而中間經(jīng)過半波片的光偏振方向與P2的夾角也是α,這樣中間和兩邊的光偏振方向與P2夾角均為α,由馬呂斯定律

可知,三分視場光強應(yīng)當(dāng)相同,視場均勻.由于儀器正常使用時α為10°左右,故此時視野呈較亮狀態(tài),且三分視場亮度均勻,如圖3(c)所示.

4)當(dāng)P2與AB平行時,如圖2(d),兩邊直接來自起偏器的光偏振面與P2夾角為,而中間經(jīng)過半波片的光偏振面與P2夾角也是這樣中間和兩邊的光與檢偏器夾角都是,由馬呂斯定律

可知,三分視場光強應(yīng)當(dāng)相同,視場均勻,且視野呈較暗狀態(tài).如圖3(d)所示.

由以上分析可知三分視場均勻亮[圖3(c)],與均勻暗[圖3(d)]時,檢偏器透振方向角度相差因為暗視場下光強隨角度變化的靈敏度比亮視場靈敏度要高,所以將三分視場均勻暗的位置作為儀器的讀數(shù)位置.

測量時,先將純凈水樣品放置在儀器光路中,旋轉(zhuǎn)檢偏器使三分視場均勻暗,讀出數(shù)值作為儀器的零點,取出純凈水,再放入旋光溶液樣品,再次旋轉(zhuǎn)檢偏器使三分視場均勻暗,讀出的數(shù)值減去零點,即為該樣品的旋光角.可見,判斷三分視場亮度均勻且是暗視場,是保證實驗正確操作的關(guān)鍵.

3 問題及解決方法

實驗當(dāng)中發(fā)現(xiàn),無論怎樣旋轉(zhuǎn)檢偏器,兩次均勻視場[見圖3(c)和圖3(d)]的亮度差別不大,均較亮,沒有明顯的亮暗對比.學(xué)生在讀數(shù)時容易混淆這兩個三分均勻視場,導(dǎo)致讀數(shù)錯誤(相差約90°),同時較亮視場下人眼靈敏度也降低,導(dǎo)致誤差增加.分析(1)和(2)式可知,原因應(yīng)該是和CD的夾角α太大,導(dǎo)致α與差別不大,進(jìn)而導(dǎo)致2次均勻視場的亮度差別不大.要想獲得2個明暗對比明顯的均勻三分視場,就要減小α.

為此,先旋轉(zhuǎn)檢偏器,將三分視場的亮度調(diào)至均勻,保持檢偏器透振方向不變,然后將儀器光路中的起偏器進(jìn)行旋轉(zhuǎn),將均勻視場的亮度調(diào)至極低,但不至于全黑,以輕微旋轉(zhuǎn)檢偏器時人眼能分辨出三分視場界線為準(zhǔn).此時α角很小,約在10°左右,檢偏器透振方向為AB.固定起偏器,使得α角固定.然后旋轉(zhuǎn)檢偏器至透振方向為CD時,可以觀察到另一亮度均勻的三分視場,此時視場較亮,與較暗的視場亮度對比明顯,兩者很容易區(qū)分開.

4 結(jié) 論

旋轉(zhuǎn)起偏器,使其透振方向與半波片的光軸夾角減小,使得兩次均勻三分視場的亮暗對比明顯,提高了讀數(shù)精度,儀器恢復(fù)正常使用.

[1] 國克喜,馬寶民,魏愛儉.實驗光學(xué)[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社,2006.

[2] 蔡履中,王成彥,周玉芳.光學(xué)[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社,2002:272-273.