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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí),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(jì)算溶液的濃度及物質(zhì)的旋光度.實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示[1]。

圖1 旋光實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)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(qiáng)變化原理圖

1)當(dāng)P2與平行時(shí),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(qiáng)變化圖

2)當(dāng)P2與平行時(shí),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(shí),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(qiáng)應(yīng)當(dāng)相同,視場均勻.由于儀器正常使用時(shí)α為10°左右,故此時(shí)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(shí),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(qiáng)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(shí),檢偏器透振方向角度相差因?yàn)榘狄晥鱿鹿鈴?qiáng)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(shí),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(diǎn),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(diǎn),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(shí)驗(yàn)正確操作的關(guān)鍵.

3 問題及解決方法

實(shí)驗(yàn)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(shí)容易混淆這兩個(gè)三分均勻視場,導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤(相差約90°),同時(shí)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(gè)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(shí)人眼能分辨出三分視場界線為準(zhǔn).此時(shí)α角很小,約在10°左右,檢偏器透振方向?yàn)锳B.固定起偏器,使得α角固定.然后旋轉(zhuǎn)檢偏器至透振方向?yàn)镃D時(shí),可以觀察到另一亮度均勻的三分視場,此時(shí)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(shí)驗(yàn)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.