旋光实验的拓展研究及测量＊

李丽荣，侯小娟，李林风，孙一博

（内蒙古科技大学理学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

旋光效应是指一束线偏振光在介质中传播时振动面发生旋转的现象[1-3]。通过对样品旋光度的测量，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等，广泛应用于制药、药检、制糖、食品、香料、味精、化工、石油等工业生产[4-5]。为了充实和丰富有关旋光效应的内容，拓宽对旋光度的测量手段和方法，本文研制了一种利用硅光电池和光敏电阻作为光电检测手段自动测量旋光仪装置。

1 原理

1.1 旋光效应

当线偏振光通过某些透明旋光物质，其振动面将以光的前进方向为轴线旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象[1,6-7]。振动面旋转的角度θ，称为旋转角或旋光度，振动面的转角θ与管长L和溶液浓度ρ成正比，其比例关系为：

式中，比例系数α为该溶液的旋光率[1，7]，单位为（°·ml·g-1· dm-1）；管长L的单位是dm；溶液浓度ρ的单位为g/ml。测得旋光率后，可以根据测得的转角θ（旋光度），求出溶液的浓度ρ。

1.2 旋光色散

旋光色散是研究旋转角θ随波长λ变化的一种色散效应。同一旋光物质，由于不同波长的色光，相应地具有不同的旋光率，所以出射光中不同波长色光的振动面所旋转的角度是不相同的，从而使得不同波长色光的振动面分开，这种现象称为旋光色散[6-8]。该现象对拓展物理知识结构和内容非常重要，应该有这方面的学习和认知。

2 实验装置设计原理

基于旋光效应和旋光色散的测量原理，本实验系统中光源部分采用波长可以改变的半导体激光器[9]，两个偏振片一个做起偏器P1，另一个做检偏器P2，起偏器始终处于固定状态，检偏器上安装一个角度编码器，角度编码器将自动测量检偏器的旋转角度（即旋光度）并在显示屏上输出。检偏器前面安装一个可以拆卸的光敏电阻或者硅光电池作为光电检测元件，把光电检测的信号在显示屏上输出，自动检测经过检偏器的光强的相对变化[10-11]。实验测量装置工作原理如图1 所示[12]。结合工作原理，研制的实验仪器装置实物如图2 所示。

图1 实验装置工作原理图

图2 实验装置实物图

利用旋光效应测量浓度和旋光色散测量过程[6，13]：

（1）起偏器2 固定，旋转检偏器4，角度编码器5 同时记录检偏器转过的角度，分别用光敏电阻或者硅光电池检测寻找输出光强最小值，在屏上显示出对应光强最小值的结果（即调节到起偏器偏振方向与激光的偏振方向垂直），并在显示屏上输出角度θ1。

（2）放入旋光性溶液，由于旋光性溶液具有旋光性，线偏振光的振动面在通过旋光性溶液后将转过一定角度，重复过程（1），再重新找到光强最小值，记录显示屏的显示角度θ2，即可求得蔗糖溶液的旋光度θ(θ=θ2-θ1)。

（3）改变半导体激光器的波长，波长分别可变为（405 nm,450 nm，532 nm，635 nm，650 nm），重复测量过程（1）和（2），即可求不同波长下的旋光性溶液的旋光度θ（θ=θ2－θ1），总结旋光率随波长的变化规律。

3 数据测量及分析

以硅光电池为例：配制蔗糖溶液，在室温（T=22.0 ℃）下，用分析天平配制质量浓度ρ=0.20 g/ml 的蔗糖溶液，装入长度L=2 dm 的标准玻璃试管中。测量数据如下表1 所示。

表1 硅光电池测量蔗糖溶液波长与旋光度的关系

根据表1 数据绘制出ρ=0.20 g/ml 浓度葡萄糖溶液旋光率随波长平方倒数的关系如图3 所示。

若以(1/λ2)*106作为x，α作为y，对实验测点进行线性拟合，得到结果为式中可看出：α与1/λ2有线性关系，其线性相关系数R2=0.998，达到线性显著性水平，即在一定温度和浓度下，葡萄糖溶液的旋光率与光波长平方的倒数线性相关[6]，对比圆盘旋光仪的光波长λ=589.3 nm，计算得到的旋光率α为40.77(°ml·g-1·dm-1)，与刘邵鹏等人[6]的测量结果40.95(°ml·g-1·dm-1)非常相近。证实了光波越长，旋光率α小。进一步说明该装置用于旋光度和旋光色散的测定确实可行。

4 误差分析

（1）实验测量过程无需人工读数，角度测量是角度编码器按程序自动显示，在每次测量中，起始值的变化会给测量带来误差，导致多次测量的重复性变差。但是该测量值是要计算的是角度的差值，对于单次测量，认为是误差较小。

（2）光的单色性，光源中心不集中，这是导致误差的主要来源。

（3）光电传感器的分辨率低，寻找每次光强最小值，会对角度的位置测量带来误差。

5 结语

本文的测量系统使用了光电检测元件测量相对光强，代替了传统仪器的人眼判断，用角度编码器来自动测量检偏器的旋转角度，采用波长可以调节的半导体激光器，可以研究旋光色散的实验内容。本装置测量方法简单准确，更能直观研究旋光现象和旋光色散的实验内容，同时还拓展了现代自动化测量手段的应用，有助于加深对光偏振概念的进一步理解和掌握。