- bázis
- A polariméter típusai
- kézikönyvek
- Automatikus és digitális
- Működés és alkatrészek
- Laurent polariméter
- Biot törvénye
- Előnyök és hátrányok
- A kézi polariméter előnyei és hátrányai
- Az automatikus és digitális polariméterek előnyei és hátrányai
- Alkalmazások
A polarimetria egy polarizált fénysugár forgását méri, amikor egy optikailag aktív anyagon halad át, amely lehet üveg (például turmalin) vagy cukoroldat.
Ez egy egyszerű módszer, amely az optikai elemzési módszerekhez tartozik és számos alkalmazásban van, különösen a vegyiparban és az élelmiszeriparban a cukros oldatok koncentrációjának meghatározására.
1. ábra. Digitális automatikus polariméter. Forrás: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH,
bázis
Ennek a technikának a fizikai alapja a fény tulajdonságai, mint elektromágneses hullám, amely elektromos és mágneses terekből áll, amelyek egymásra merőleges irányban mozognak.
Az elektromágneses hullámok keresztirányúak, ami azt jelenti, hogy ezek a mezők egymással merőleges irányban terjednek, a 2. ábra szerint.
Mivel azonban a mező számos hullámvonatból áll, amelyek az egyes atomokból származnak, és mindegyik különböző irányban oszcillál, a természetes fény vagy az izzólámpa által kibocsátott fény nem polarizálódik.
Ezzel szemben, amikor a mező lengése preferenciális irányban zajlik, akkor a fény polarizálódik. Ez úgy érhető el, hogy a fénysugár áthalad bizonyos olyan anyagokon, amelyek képesek blokkolni a nem kívánt alkatrészeket, és csak egyetlen anyagnak engedi átmenni őket.
2. ábra: Az x tengely mentén terjedő elektromágneses mező animációja. Forrás: Wikimedia Commons. And1mu.
Ha ezen túlmenően a fényhullám egyetlen hullámhosszból áll, akkor egy lineárisan polarizált monokromatikus sugarat kapunk.
Az ennek megvalósításához szűrőként szolgáló anyagokat polarizátoroknak vagy analizátoroknak nevezzük. És vannak olyan anyagok, amelyek reagálnak a polarizált fényre, forgatva a polarizációs síkot. Ezek optikailag aktív anyagok, például cukrok.
A polariméter típusai
A polariméterek általában lehetnek: kézi, automatikus, félautomata és digitális.
kézikönyvek
A kézi polarimétereket az oktatási laboratóriumokban és a kis laboratóriumokban használják, míg az automatikus mérőórákat akkor kell előnyben részesíteni, ha nagyszámú mérésre van szükség, mivel ezek minimalizálják a mérésre fordított időt.
Automatikus és digitális
Az automatikus és a digitális modellek fotoelektromos érzékelővel vannak ellátva, egy érzékelővel, amely reagál a fényváltozásra, és jelentősen növeli a mérések pontosságát. Vannak olyanok is, amelyek digitális képernyőn olvasást kínálnak, és amelyek nagyon egyszerűen kezelhetők.
A polariméter általános működésének bemutatására az alábbiakban egy kézi optikai típust ismertetünk.
Működés és alkatrészek
Az alapvető polariméter két Nicol prizmát vagy Polaroid lapot használ, amelyek között a vizsgált optikailag aktív anyag található.
William Nicol (1768-1851) egy skót fizikus volt, aki karrierjének nagy részét a hangszerekre fordította. Nicol 1828-ban egy kalcit- vagy izlandi eredetű kristály, egy ásvány, amely képes a bejövő fénysugár megosztására, prizmát hozott létre, amellyel polarizált fény érhető el. Széles körben használták a polariméterek építésében.
4. ábra: Birefringent kalcit kristály. Forrás: Wikimedia Commons. APN MJM.
A polariméter fő részei a következők:
- A fényforrás. Általában nátrium-, volfrám- vagy higanygőzlámpa, amelynek hullámhossza ismert.
- Polarizátorok. A régebbi modellek Nicol prizmákat használtak, míg a modernok általában Polaroid lemezeket használnak, hosszú láncú szénhidrogén molekulákból, jódatomokkal.
- Mintatartó. Ahol az analizálandó anyag kerül, amelynek hossza változó, de pontosan ismert.
- Okulár és jelzőlámpák látványosságokkal ellátva. A megfigyelő számára, hogy pontosan megmérje a minta forgási teljesítményét. Az automatikus modellek fotoelektromos érzékelőkkel rendelkeznek.
- Ezen felül hőmérsékleti és hullámhossz-mutatók. Mivel sok anyag forgási ereje ezen paraméterektől függ.
5. ábra: A kézi polariméter vázlata. Forrás: Chang, R. Chemistry.
Laurent polariméter
A leírt eljárás során kicsi a kellemetlenség, amikor a megfigyelő beállítja a fény minimumát, mivel az emberi szem nem képes detektálni a fényerősség nagyon kis változásait.
A probléma orvoslására a Laurent polariméter egy fél hullámhosszúságot késleltető féllemezt ad, amely kettős törésű anyagból készül.
Ily módon a megfigyelőnek két vagy három szomszédos, különböző fényerősségű régiója van, amelyeket mezőknek hívnak. Ez megkönnyíti a szem számára a fényszintek megkülönböztetését.
A legpontosabb mérés akkor történik, amikor az analizátort elfordítják úgy, hogy minden mező egyenlőtlen legyen.
6. ábra: A polariméter kézi leolvasása. Forrás: F. Zapata.
Biot törvénye
A Biot törvény egy optikailag aktív anyag α forgási teljesítményét, szexualimális fokban mérve, az anyag c koncentrációjával - ha ez oldat - és az optikai rendszer geometriáját határozza meg.
Ezért hangsúlyozták a polariméter leírását, hogy a fény és a mintatartó hullámhossz-értékeit ismerni kell.
Az arányosság konstansát meghatározzuk és az oldat fajlagos forgási teljesítményének nevezzük. Ez a beeső fény λ hullámhosszától és a minta T hőmérséklettől függ. Az értékeket általában 20 ° C hőmérsékleten tabuláljuk, különösen nátriumfény esetén, amelynek hullámhossza 589,3 nm.
A vizsgált vegyület típusától függően a Biot törvénye különböző formákat ölt:
- Optikailag aktív szilárd anyagok: α =.ℓ
- Tiszta folyadékok: α =. ℓ.ρ
- Optikai aktivitású oldott oldatok: α =. ℓ.c
- Több optikailag aktív komponenssel rendelkező minták: ∑α i
A következő további mennyiségekkel és azok egységeivel:
- A mintatartó hossza: ℓ (szilárd anyag esetén mm-ben, folyadékok esetén dm-ben)
- Folyadékok sűrűsége: ρ (g / ml)
- Koncentráció: c (g / ml-ben vagy molaritásban)
Előnyök és hátrányok
A polariméterek nagyon hasznos laboratóriumi műszerek különféle területeken, és a polariméterek minden típusának előnyei vannak a tervezett felhasználásuknak megfelelően.
Maga a technika nagy előnye, hogy roncsolásmentes vizsgálat, amely megfelelő a drága, értékes minták elemzésekor, vagy amelyet valamilyen okból nem lehet lemásolni. A polarimetria azonban nem alkalmazható egyetlen anyagra sem, csak azokra, amelyek optikai aktivitással vagy királis anyagokkal rendelkeznek, mivel ezek is ismertek.
Azt is figyelembe kell venni, hogy a szennyeződések jelenléte hibákat eredményez az eredményekben.
Az analizált anyag által előidézett forgásszög összhangban áll annak jellemzőivel: a molekula típusával, az oldat koncentrációjával és még az alkalmazott oldószerrel. Mindezeknek az adatoknak a megszerzéséhez pontosan tudnia kell a felhasznált fény hullámhosszát, a hőmérsékletet és a mintatartó tartályának hosszát.
A pontosság, amellyel a mintát elemezni kívánja, döntő a megfelelő berendezés kiválasztásakor. És a költsége is.
A kézi polariméter előnyei és hátrányai
- Általában olcsóbbak, bár vannak olcsó digitális verziók is. Ami nagyon sok ajánlatot kínál.
- Alkalmasak laboratóriumi oktatásban és oktatásban, mivel segítenek a kezelőnek megismerni a technika elméleti és gyakorlati vonatkozásait.
- Szinte mindig alacsony karbantartási igényűek.
- Ellenállók és tartósak.
- A mérés olvasása kissé fárasztóbb, különösen, ha a vizsgálandó anyag forgási teljesítménye alacsony, ezért az üzemeltető általában speciális személyzet.
Az automatikus és digitális polariméterek előnyei és hátrányai
- Könnyen kezelhetők és olvashatók, működésükhöz nincs szükség speciális személyzetre.
- A digitális polariméter exportálja az adatokat a nyomtatóra vagy a tárolóeszközre.
- Az automatikus polariméterekhez kevesebb mérési idő szükséges (körülbelül 1 másodperc).
- Lehetőségük van időközönként történő mérésre.
- A fotoelektromos detektor lehetővé teszi az alacsony forgási teljesítményű anyagok elemzését.
- A hőmérsékletet hatékonyan kell szabályozni, amely a mérést leginkább befolyásolja.
- Néhány modell drága.
- Karbantartást igényelnek.
Alkalmazások
A polarimetriának számos alkalmazása van, amint azt az elején említettük. A területek változatosak, és az analizálandó vegyületek szerves és szervetlen is lehetnek. Néhány ezek közül:
- A gyógyszerészeti minőség-ellenőrzés során segít meghatározni, hogy a gyógyszerek gyártásában használt anyagok megfelelő koncentrációban és tisztaságban vannak-e.
- Az élelmiszeripar minőség-ellenőrzése céljából, a cukor tisztaságának, valamint italokban és édességekben lévő tartalmának elemzése céljából. Az ily módon alkalmazott polarimétereket szacharimétereknek is nevezik, és egy adott skálát használnak, amely különbözik a más alkalmazásokban használtól: a ºZ-skála.
7. ábra: A borok és gyümölcslevek cukortartalmának minőségellenőrzését polarimetriával végezzük. Forrás: Pixabay.
- Az élelmiszer-technológiában is használják a minta keményítőtartalmának meghatározására.
- Az asztrofizikában a polarimetriát a csillagok fényének polarizációjának elemzésére, valamint a csillagászati környezetben jelen lévő mágneses mezők és azok csillagdinamikában betöltött szerepének tanulmányozására használják.
- A polarimetria hasznos a szembetegségek kimutatásában.
- Műholdas távérzékelő készülékekben, amelyek hajók megfigyelésére szolgálnak a nyílt tengeren, az óceán közepén vagy a szárazföldön lévő szennyeződés terén, nagy kontrasztú képek készítésének köszönhetően.
- A vegyipar polarimetriát alkalmaz az optikai izomerek megkülönböztetésére. Ezeknek az anyagoknak azonos kémiai tulajdonságai vannak, mivel molekuláik ugyanolyan összetételű és szerkezetű, de az egyik a másik tükörképe.
Az optikai izomerek abban különböznek egymástól, hogyan polarizálják a fényt (enantiomerek): az egyik izomer balra (balkezes), a másik jobbra (jobbkezes), mindig a megfigyelő szempontjából.
- AGS analitikus. Mire szolgál a polariméter? Helyreállítva: agsanalitica.com.
- Chang, R. Chemistry. 2013. tizenegyedik kiadás. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimetry. Helyreállítva: triplenlace.com.
- Tudományos műszerek. Polariméterek. Helyreállítva: uv.es.
- Valencia Politechnikai Egyetem. Polarimetria alkalmazása a
cukor tisztaságának meghatározására. Helyreállítva: riunet.upv.es.