Оптически активные вещества.

ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Цель работы:

1. Обучаемый должен знать:

а) свойства оптически активных веществ и их классификацию,

б) методы определения оптически активных веществ,

в) качественное объяснение явления вращения плоскости поляризации (теорию Френеля),

г) возможности практического использования рассматриваемого явления в производстве, в частности- устройство и принцип работы поляриметров.

2. Обучаемый должен уметь:

а) определить угол поворота плоскости поляризации с помощью поляриметра,

б) определить концентрацию неизвестного раствора оптически активного вещества методом сравнения (по известной концентрации вещества).

Практическое значение работы:

Поляризационные эффекты в живой природе весьма распространены. Известно специфическое действие такого света на человека (лазеротерапия). Явление поляризации эффективно используется в изучении структуры и функций работы мышц, процессов митотического деления и т.д. (с помощью поляризационных микроскопов). Знание всего этого необходимо биологу и медику.

Бюджет времени. На самостоятельную работу обучаемому отводится 2 часа. В аудиториях отводится 4 часа, из них: 2 часа лекции и 2 часа лабораторные занятия.

Литература.

1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики т. 3, М. 1970.

2. Фриш и Тимофеева. Курс общей физики т.3.

3. Конспект лекций по биофизике. СурГУ, 2002 г.

Методические указания к выполнению 1-го этапа

“Самоподготовка”

I. Повторительный раздел.

Для изучения настоящей темы обучаемый должен знать основ-ные свойства света, как электромагнитной волны. В частности, свойства света, как поперечных электромагнитных колебаний, понятие поляризации света, ее виды и способы получения поляризованного света, систему поляризатор-анализатор, закон Малюса и закон Био.

Вопросы и задачи для самоконтроля.

1. Какие свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции?

2. Что такое поляризация света? Какие свойства света проявляются в этом явлении?

3. Какие виды поляризации света Вы знаете?

4. Какие способы получения поляризованного света вы знаете? Охарактеризуйте их.

5. Сформулируйте закон Малюса.

6. Угол между плоскостью поляризатора и анализатора составляет 60°. Как изменится интенсивность света на выходе системы по отношению к интенсивности света, прошедшего через поляризатор?

II. Изучение теории к работе.

Основные задачи при изучении теории определены в разделе “Цель работы” (см. выше).

После внимательного изучения раздела “Блок информации” и сознательного осмысливания и уяснения для себя целей работы, обучаемый должен ответить на следующие вопросы и решить задачи:

1. Что такое оптические активные вещества? На какие группы они делятся?

2. Что такое L-форма и D-форма? Каковы их физические и биологические свойства?

3. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации оптически активным веществом?

4. Сформулируйте закон Био и какова область его применения?

5. Что такое удельное вращение растворенного вещества?

6. Расскажите основные положения теории Френеля.

7. Как устроен поляриметр?

8. Как определяется концентрация неизвестного вещества с помощью поляриметра?

9. Если пропустить белый свет через поляриметр, то что мы увидим при вращении анализатора по часовой стрелке и против часовой стрелки? Объясните.

Методические указания по второму этапу.

“Выполнение лабораторной работы”

Цель этапа: 1). Изучить устройство и принцип работы поляриметра.

2). Определить концентрацию неизвестного раствора сахара с помощью поляриметра.

Для достижения цели необходимо:

1. Установить поляриметр так, чтобы в окуляре наблюдалась максимальная равномерная освещенность поля.

2. Заполнить трубку поляриметра дистиллированной водой, при этом не допускать попадания воздушных пузырьков внутрь, а наружные стороны покровных стекол покрывать марлей. Далее, наполненную трубку вставить в прибор и вращением диска добиться равномерного освещения тройного поля, наблюдаемого в окуляре. Отсчет производить по шкале и нониусу. Если нуль нониуса сдвинулся влево от нуля градусной шкалы, то отсчет производится по левому нониусу , если вправо, то по правому . Изменив освещенность зеркалом, опять настроить прибор и повторить измерение 3 раза, вычислив среднее значение .

3. Вылить воду и налить раствор сахара известной концентрации. Произвести аналогичные измерения 3 раза и определить . Учесть при этом, что в случае совпадения направления вращения плоскости поляризации для воды и раствора сахара (оба j влево или вправо), то искомое j^с=j_ср^с-j_ср^В, в противном случае

j^с=j_ср^с+j_ср^В.

4. Вылить раствор известной концентрации и промыть трубку раствором неизвестной концентрации, а затем заполнить ее этим же раствором. Определить путем 3-х измерений - угол поворота плоскости поляризации раствором неизвестной концентрации и аналогично пункту 3 вычислить с учетом значений .

5. Зная, что j^с=alC₀ и j^х=alC_x, возьмем их отношение = и определим - концентрацию неизвестного раствора сахара.

N	jiB	jсрВ	jiс	jсрс	jс=jсрс±jсрВ	jiх	jсрx	jx=jсрх±jсрВ	C0

Методические указания по III этапу:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучаемый должен изучить все методические указания, ответить на вопросы и решить задачи из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения II этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради.

Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Блок информации

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы магнитного и электрического поля расположены в перпендикулярных плоскостях. В общем случае излучение некогерентно, т.е. колебания происходят в различных плоскостях и не синхронизировано по фазе. Для получения пучка с преимущественной плоскостью колебаний необходимо производить специальные действия, но именно такое излучение позволяет обнаружить и исследовать оптическую активность вещества, т.е. изменение ориентации плоскости колебаний при прохождении через слой вещества.

Некоторые вещества обладают способностью поворачивать плоскость колебаний светового вектора Е, в этом случае говорят о вращении плоскости поляризации, а вещества называют оптически активными. Они подразделяются на две большие группы, а именно: оптически активные вещества в любом агрегатном состоянии и оптически активные вещества только в твердом состоянии. В первом случае активность определяется свойствами молекул- наличием атома, вокруг которого расположены различные молекулярные группировки (радикалы). Такая пространственная анизотропия может иметь 2 оптически активные формы (например, для атома углерода с различными радикалами), которые различным образом взаимодействуют с поляризованным светом.

Рис.1. Оптическая анизотропия углеродных соединений.

Молекулы одной формы способны поворачивать плоскость поляризации вправо (по часовой стрелке), это D-форма, для второй формы характерно вращение плоскости поляризации влево (против часовой стрелки). Это L-форма (см. рис.1).

Различные оптические свойства веществ, обусловленные различным пространственным расположением одинаковых атомов в молекулах одного и того же вещества, оказывается, приводит к значительным различиям в биологическом отношении, Так, например, в белках животных обнаружены только L-аминокислоты, а D-формы либо совсем не усваиваются животными и растениями, либо усваиваются гораздо хуже. Для углеводов ситуация обратная, все природные сахара имеют D-структуру. L-формы веществ обладают свойствами отличными от D-форм (например, L-никотин в 2-3 раза более ядовит).

Особое место занимают высокомолекулярные вещества, обычные в живых организмах. Для них остается важным принцип ориентации групп в оптически активном центре, особенным становится то, что оптическая активность возникает при определенных внутримолекулярных конформациях, стабилизуемых Ван-дер-Ваальсовскими силами, такой вид оптической изомерии называется антропоизомерией. Могут сблизиться изначально удаленные друг от друга группировки, а сближенность объёмистых радикалов затрудняет вращение вокруг связей —С—С— и стабилизует образовавшуюся конформацию. Биологически активные конформации в природе (см. рис.2) обычно термодинамически предпочтительней и, кроме того, достаточно маловероятно, чтобы в ходе конформационных изменений образовались структуры обладающие оптической активностью, равной по модулю, но направленной в другую сторону. Поэтому маловероятно образование пары оптических изомеров высокомолекулярных веществ, подобной паре низкомолекулярных, скорее будет образование единственного оптического изомера без напарника.

Для веществ второй группы характерна активность только в кристаллическом состоянии, она обусловлена пространственным расположением атомов в кристалле, его структурой. Примером таких веществ является кварц, киноварь и др.

Рис. 2. Появление оптической активности у полимеров: А- первичная

структура, оптически активного центра нет;

В- в растворе происходят конформационные изменения, цепь изгибается и группировки составляющие оптический центр могут сблизиться; С- возникла стабильная конформация,

обладающая оптической активностью

Обнаружить оптическую активность вещества можно с помощью системы поляризатор-анализатор. Как известно, интенсивность света, прошедшего через такую систему, зависит от угла между плоскостью анализатора и поляризатора j, т.е. J = J₀cos²j. Если при максимальной интенсивности света, прошедшего через анализатор (j = 0) между анализатором и поляризатором поместить оптически активное вещество, то интенсивность света J изменится (может уменьшиться). Это объясняется тем, что плоскость поляризации света, прошедшего через вещество, повернулась на некоторый угол j и J=J₀cos²j. Для твердых веществ угол поворота плоскости поляризации j пропорционален толщине вещества l, т.е. j=al, где a- называется удельным вращением плоскости поляризации и для различных веществ он строго определен. Его измеряют в град/м или град/мм. По определению a равен углу, на который поворачивается плоскость поляризации слоем оптически активного вещества толщиной 1 м (или 1 мм). По закону Био удельное вращение a зависит от длины волны проходящего света, вдали от полос поглощения зависимость a от l определяется формулой Био: .

Для растворов, если растворитель нейтральный, угол поворота плоскости поляризации j зависит от концентрации растворенного оптически активного вещества С: т.е. . Константа зависит от растворенного вещества и называется удельным вращением растворенного вещества (УВРВ). По определению УВРВ численно равно углу поворота плоскости поляризации, которое вызывается слоем раствора толщиной в 1м при концентрации растворенного вещества 1кг/м³ (или 1дцм при С = 1 г/см³). Для раствора сахара .

Рис.3

Френелем было дано качественное объяснение закона Био. По этой теории любое колебание, совершающееся по прямой, представляется в виде двух круговых движений во взаимно противоположных направлениях одинаковой частоты и с амплитудами в два раза меньшими амплитуды исходного колебания. Тогда плоско поляризованный монохроматический свет в оптически активной среде распадается на две волны, поляризованные по кругу (см. рис.3), где Е₁- амплитуда исходного колебания, и - амплитуда света, поляризованного по кругу. Концы этих векторов при распространении света в веществе описывают в пространстве спирали (сложение движений), - начальное положение вектора перед оптически активным веществом, - конечное, после выхода света из оптически активного вещества.

В оптически активных веществах скорости распространения этих колебаний разные. Из рисунка видно, что n_п >n_л, т.к. левый вектор за один оборот не успел занять исходное положение и .

Из уравнения плоской волны получим значение углов поворота световых векторов для правого и левого лучей соответственно :

,

где - толщина слоя оптически активного вещества. Разность фаз

и C=ln

Тогда угол j, на который поворачивается вся плоскость поляризации оптически активным веществом, определяется по формуле

Однако, (закон дисперсии света), тогда , что согласуется с законом Био. Для разных длин волн угол поворота плоскости поляризации различен. Эта зависимость получила название дисперсии оптической активности.

Зависимость j от С используется в специальных поляриметрах для определения концентрации неизвестного раствора оптически активного вещества по известному раствору. Поляриметр состоит из поляризационного устройства (1) с зеркалом (2) отражающим падающие лучи на поляризатор, кварцевой пластинки (3), трубки (4), в которую заливают исследуемый раствор, анализатора (5) с окуляром, в котором наблюдается поле зрения, и отсчетной лупой. Последняя применяется для точного отсчета угла j по шкале и нониусу на диске головки анализатора.

Рис.3

Следует отметить, что изменение интенсивности света при повороте плоскости поляризации оптически активным веществом (находящимся в трубке 4) происходит в соответствии с законом Малюса I=I₀cos²j. Последний легко объяснить, если разложить вектор E` света, прошедшего через раствор 4, на две составляющие (см. рис.4).

Рис.4. Иллюстрация закона Малюса.

На рис.4 Е- вектор напряженности электрического поля электромагнитной плоско поляризованной волны, прошедшей через поляризатор 1, E`- вектор света прошедшего через трубку 4. Последний раскладываем на и , причем (перпендикулярная составляющая) не проходит через анализатор 5 и не вносит вклад в интенсивность I вышедшего света из 5. Поскольку интенсивность света I~E<sup>2</sup>,то I~(E`)²=(Ecosj)² = E²cos²j. Отсюда имеем I=I₀cos²j. Проверку закона Малюса можно сделать с помощью системы, состоящей из источника монохромного света S, поляризатора П и анализатора А (см. рис.5). Если на выходе такой системы поставить фотодиод Ф, то сила тока в микроамперметре при вращении анализатора А будут изменяться по закону cos²j, т.е. при одном полном обороте 2 раза будет иметь максимум и 2 раза- минимум. Векторная диаграмма силы фототока

Рис.5 Рис.6

(и интенсивности выходящего света I соответственно) имеет вид рис.6. Получить такую диаграмму- задача естествоиспытателя в данной работе!

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.5