用旋光仪测旋光性溶液的旋光率和浓度
[实验目的]
1. 观察线偏振光通过旋光物质的旋光现象
2. 学习用旋光仪测旋光性溶液的旋光率和浓度
[实验原理]
如图所示，线偏振光通过某些物质的溶液（特别是含有不对称碳原子物质的溶液，如蔗糖溶液）后，线偏振光的振动面将旋转一定的角度φ，这种现象称为旋光现象。旋转的角度φ 称为旋转角或旋光度。它与偏振光通过的溶液长度l 和溶液中旋光性物质的浓度c 成正比,
即 φ=αcl
式中，α称该物质的旋光率,它在数值上等于偏振光通过单位长度(1分米)、单位浓度（1克/毫升）的溶液后引起振动面旋转的角度。c用克/毫升表示，l用分米表示。
图1-1 观测偏振光的振动面旋转的实验原理图
实验表明，同以旋光物质对不同波长的光有不同的旋光率；在一定温度下，它的旋光率与入射光波长λ的平方成反比，这个现象称为旋光色散。本实验我们采用钠黄线的D线（入＝589.3纳米）来测定旋光率。
若已知待测旋光性溶液的浓度c和液柱的长度l, 测出旋光度φ就可由上式计算出其旋光率。显然，在液柱的长度l不变时，依次改变浓度c, 测出相应的旋光度φ，然后画出φ～c曲线—旋光曲线，利用最小二乘法处理数据，求出旋光率α 。理论上，温度在14°～30°C时，蔗糖的旋光率为：αt=(66.412+0.01267c-0.000376c2)[1-0.00037(t-20)] 。
利用求出的旋光率，测出旋光性溶液的旋光度，可确定溶液中所含旋光物质的浓度。
[装置介绍]
1—光源； 2—会聚透镜；
3—滤光片； 4—起偏镜；
5—石英片； 6—测试管；
7—检偏镜； 8—望远镜物镜；
9—刻度盘； 10—望远镜目镜；
图2-1 旋光仪示意图
测量物质旋光度的装置称为旋光仪，其结构如图2—1所示。测量时，先将旋光仪中起偏镜（4）和检偏镜（7）的偏振轴调到相互正交，这时在目镜（10）中看到最暗的视场；然后装上测试管（6），转动检偏镜，使因振动面旋转而变亮的视场重新达到最暗，此时检偏镜的旋转角度即表示被测溶液的旋光度。
因为人的眼睛难以准确地判断视场是否最暗，故多采用半荫法，用比较视场中相邻两光束的强度是否相同来确定旋光度。具体装置见图3—1。在起偏镜后在加一石英晶体片，此石英片和起偏镜的一部分在视场中重叠。随石英片安放位置的不同，可将视场分为两部分[图3—1（a）]或者三部分[图3—1（b）]。同时在石英片旁装上一定厚度的玻璃片，以补偿由石英片产生的光强变化。取石英片的光轴平行于自身表面并与起偏镜的偏振轴成一角度
（仅几度）。由光源发出的光经起偏镜后变成线偏振光，其中一部分光再经过石英片（其厚度恰使在石英片内分成的
光和
光的位相差为
的奇数倍，出射的合成光仍为线偏振光），其振动面相对于入射光的偏振面转过了
，所以进入测试管的光是振动面间的夹角为的两束线偏振光。
（a）两分视场的 （b）三分视场的
图3—1石英片的两种安装方式
在图3—2中，如果以
和
分别表示起偏镜和检偏镜的偏振轴，
表示透过石英片后偏振光的振动方向，
表示与的夹角，
表示与的夹角；再以
和
分别表示通过起偏镜和起偏镜加石英片的偏振光在检偏镜偏振轴方向的分量；则由图3—2可知，当转动检偏镜时，和的大小将发生变化，反映在从目镜中见到的视场上将出现亮暗的交替变化（见图3—2的下半部）。图中列出了四种显著不同的情形：
（a）
,
，通过检偏镜观察时，与石英片对应的部分为暗区，与起偏镜对应的部分为亮区，视场被分为清晰的两（或三）部分。当
时，亮暗的反差最大。
(b) 
,
，故通过检偏镜观察时，视场中两（或三）部分界线消失，亮度相等，较暗。
(c) 
,
，视场又被分为两（或三）部分，与石英片对应的部分为亮区，与起偏镜对应的部分为暗区。当
时，亮暗的反差最大。
(d) ，视场中两（或三）部分界线消失，亮度相等，较亮。
由于在亮度不太强的情况下，人眼辨别亮度微小差别的能力较大，所以常取图3—2（b）所示的视场作为参考视场，并将此时检偏镜的偏振轴所指的位置取作刻度盘的零点。
在旋光仪中放上测试管后，透过起偏镜和石英片的两束偏振光均通过测试管，它们的振动面转过相同的角度
，并保持两振动面间的夹角不变。如果转动检偏镜，使视场仍就回到图3—2（b）所示的状态，则检偏镜转过的角度即为被测试溶液的旋光度。迎着射来的光线看去，若检偏镜向右（顺时针方向）转动，表示旋光性溶液使偏振光的偏振面向右（顺时针方向）旋转，该溶液称为右旋溶液，如蔗糖的水溶液。反之，若检偏镜向左（反时针方向）转动，该溶液称为左旋溶液，如糖的水溶液。
（a） (b) (c) (d)
图3—2 转动检偏镜时，目镜中视场的亮暗变化图
[实验内容]
（一） 调整旋光仪
1． 调节旋光仪的目镜，使能看清视场中两（或三）部分的分界线。
2． 转动检偏镜，观察并熟悉视场明暗变化的规律。校验零点位置，记下刻度盘上的相应读数（旋光仪上双游标的读数和数据处理方法与分光计类似）。
3． 根据半荫法原理，测量透过起偏镜和石英片的两束偏振光振动面的夹角。
4． 将熔剂（如蒸馏水）注入测试管，然后装进旋光仪，检验熔剂是否有旋光现象。
（二） 测定旋光性溶液的旋光率和浓度
1． 由于旋光率与所用光波波长、温度以及浓度均有关系，所以测定旋光率时应对上述各量作出记录或加以说明。
2． 将纯净待测物质（如蔗糖）事先配制成不同百分浓度的溶液，分别注入同一长度的试管内。测出在不同浓度下的旋光度，然后在坐标纸上作出~c曲线（要求光滑），利用最小二乘法求出该物质的旋光率。
3． 测出待测溶液的旋光度，再根据旋光曲线（~c曲线）确定待测溶液的浓度。
[注意事项]
1． 溶液应装满试管，不能有气泡。
2． 注入溶液后，试管和试管两端透光窗均应擦净，才可装入旋光仪。
3． 试管的两端经精密磨制，以保证其长度为确定值，使用时应十分小心，以防损坏试管。
4． 为降低测量误差，测定旋光度时应重复测读五次，取其平均值。
[思考题]
1． 对波长
的钠黄光，石英的折射率为
，
。如果要使垂直入射的线偏振光（设其振动方向与石英片光轴的夹角为）通过石英片后变为振动方向转过2角的线偏振光，试问石英片的最小厚度应为多少？
2． 为什么说用半荫法测定旋光度比单用两个尼科耳棱镜（或两块偏振片）时更方便、更准确？