王曉萌，王世燕，李 靜

（中國石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

蔗糖溶液旋光效應(yīng)的實驗研究

王曉萌，王世燕，李 靜

（中國石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

采用自行搭建的旋光儀分別測量了不同波長的入射單色光對不同濃度蔗糖溶液旋光度的影響，分析了蔗糖溶液旋光率隨波長的變化關(guān)系，并對蔗糖溶液的左旋、右旋特性進行判斷。自行搭建的實驗裝置有助于對旋光效應(yīng)產(chǎn)生更直觀的認識和理解，對教學(xué)內(nèi)容起到豐富和拓展作用。該裝置也適用于對液體、固體等旋光介質(zhì)旋光效應(yīng)的測量。

不同波長單色光；旋光效應(yīng)；旋光度；旋光率

偏振光通過某些物質(zhì)后，光振動面會以光傳播方向為軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫做旋光效應(yīng)。不同的旋光物質(zhì)具有不同的旋光效應(yīng)。旋光物質(zhì)具有左旋屬性或右旋屬性，對于偏振面沿光軸順時針旋轉(zhuǎn)的稱為左旋屬性，具有右旋屬性的物質(zhì)則相反［1-2］。研究旋光物質(zhì)的旋光效應(yīng)不僅在光學(xué)上有特殊意義，在制藥、制糖、香料、石油等工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用［3-5］。

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，液體旋光效應(yīng)研究這一實驗項目，通常采用調(diào)整三分視場尋找暗場以測定旋光度的實驗方法，研究單一波長光源對不同濃度蔗糖溶液旋光效應(yīng)的影響。本文在此基礎(chǔ)上，采用自組裝的旋光儀測量了473，532，589，650 nm共4種不同波長的單色光光源對不同濃度蔗糖溶液旋光效應(yīng)的影響，并對蔗糖溶液的左旋、右旋特性進行判斷。通過該實驗，會加深學(xué)生對偏振光、旋光效應(yīng)及旋光儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解，對旋光率隨入射波長的變化有一定的認識，同時也可以完善和拓展大學(xué)物理實驗有關(guān)旋光效應(yīng)的實驗內(nèi)容。

1 實驗原理

偏振光沿光軸在旋光介質(zhì)中傳播時，振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)稱為旋光效應(yīng)。旋光物質(zhì)種類眾多，主要可分為左旋和右旋兩種。偏振光經(jīng)過旋光物質(zhì)后，偏振光振動面沿軸旋轉(zhuǎn)過的角度稱為旋光度，記為φ。根據(jù)有關(guān)文獻可知，旋光度φ與旋光介質(zhì)的長度L有關(guān)［6］:式中，a為旋光介質(zhì)的旋光率，是表征介質(zhì)旋光特性的重要物理量。對于同一旋光介質(zhì)，在溫度一定時，旋光率隨著入射波長的變化而發(fā)生改變。通常將旋光率與波長的變化關(guān)系叫作旋光率色散，一般用旋光率色散曲線（旋光率隨入射波長變化曲線）描述。對于液體旋光介質(zhì)而言，旋光度不僅和旋光介質(zhì)的長度有關(guān)，還受到旋光溶液濃度的影響。液體旋光介質(zhì)的旋光度表示為:

對于特定波長的入射光而言，如果已知溶液的長度L和濃度C，通過測量旋光度可以計算出旋光率a，從而問題轉(zhuǎn)化為測量旋光度與波長的變化關(guān)系。下面以蔗糖溶液介質(zhì)為例測量不同濃度下的旋光率色散曲線。

2 實驗裝置及實驗方法

將單色光光源、起偏器、樣品架、檢偏器、光電探測器（WPZ型光電檢流計）依次置于光學(xué)平臺上的光具座上。調(diào)節(jié)光路使光具座上各實驗器件共軸等高。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

實驗方法:

1）配置不同濃度的蔗糖溶液。分別配置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g·mL-1共5種不同濃度的蔗糖溶液。將配置好的不同濃度的蔗糖溶液分別置于20 cm長的試管中。

2）按照圖1所示布置好實驗光路。在放置待測溶液前旋轉(zhuǎn)檢偏器直到發(fā)生完全消光為止（當數(shù)字檢流計的示數(shù)在最小值附近跳動即為完全消光），記下此時檢偏器的角度讀數(shù)。

3）搖晃待測溶液使其濃度均勻，將其平放在樣品架上，然后仔細調(diào)節(jié)光路使各光學(xué)器件等高共軸并注意此時檢流計的示數(shù)。同時，轉(zhuǎn)動檢偏器（注意檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向，以確定蔗糖溶液是右旋物質(zhì)還是左旋物質(zhì)），直到再次出現(xiàn)完全消光為止，記下此時檢偏器轉(zhuǎn)過的角度即為該濃度下溶液的旋光度。按照步驟3）重復(fù)測量3次數(shù)據(jù)，從而求得旋光度的平均值。

4）替換入射光源，依次用473，532，589，650 nm波長的單色光光源重復(fù)測量步驟1）～步驟3）。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗在室溫20℃下測量了4種不同波長光源下蔗糖溶液旋光度與溶液濃度的關(guān)系如圖2所示。圖中曲線分別為對不同波長下的實驗數(shù)據(jù)作最小二乘法一元線性擬合后［7］所得，從圖2可以看出，在每種入射波長下，溶液旋光度與溶液濃度直線擬合度都很好，每條直線的斜率即為相應(yīng)波長光源下所對應(yīng)的蔗糖溶液的旋光度與濃度比值。根據(jù)式（2）可知，直線斜率除以溶液長度就得到了溶液的旋光率α。不同波長的入射光所對應(yīng)的蔗糖溶液旋光率如表1所示，可以看出介質(zhì)旋光率隨入射波長的紅移而減小。

圖2 不同波長下旋光度與溶液濃度的關(guān)系

查詢手冊得知溶液在溫度20℃，波長589 nm時的旋光率為53.0［（°）g-1·dm-1·mL］［8］，得到本實驗裝置測量相對誤差為5.35左右。

表1 不同波長下蔗糖溶液旋光率

圖3 旋光率色散曲線

圖3為溶液旋光率隨波長變化曲線圖，曲線是對實驗數(shù)據(jù)擬合后得到的，可以看出溶液旋光率隨入射波長的增大而減小，所得旋光率色散曲線大致符合當溫度一定時，旋光率與入射波長的平方成反比的理論［9］。限于實驗條件，本實驗只選取了四種不同波長的單色光光源，要想得到精確的溶液旋光率色散曲線，就應(yīng)該想辦法得到更多的不同波長的單色光。另外，在測量溶液旋光度時，為了達到再次消光，檢偏器將沿著光軸逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度。通過檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向可以判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋特性［10］的旋光介質(zhì)。

4 結(jié)束語

通過用自行搭建的旋光實驗儀研究了蔗糖溶液的旋光效應(yīng)。實驗顯示，通過檢偏器旋轉(zhuǎn)的方向判斷出蔗糖溶液是一種具有右旋屬性的旋光物質(zhì)。當溫度一定時（室溫20℃），不同入射光波長下，蔗糖溶液的旋光度的測量結(jié)果都很好，并且溶液旋光率隨著入射光波長的增大而有減小的趨勢。當然，要想得到準確的蔗糖溶液旋光率色散曲線還需得到更多不同波長的單色光。實驗除了可以讓學(xué)生更直觀地觀察旋光效應(yīng)現(xiàn)象外，還增加了物質(zhì)旋光效應(yīng)與波長關(guān)系的研究，介質(zhì)旋光屬性的判斷等內(nèi)容，從而豐富、拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容；另外，該實驗裝置還可以對固體物質(zhì)的旋光效應(yīng)進行測定。

［1］高峻峰，孟玲菊.物質(zhì)的絕對構(gòu)型與旋光性的關(guān)系［J］.大學(xué)化學(xué)，2010，25（6）:41-47.

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［3］連會.旋光法測定蜂蜜中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量［J］.北京農(nóng)業(yè)，2011（6）:7-8.

［4］李書光.大學(xué)物理實驗［M］.北京:科學(xué)出版社，2012:103-108.

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［6］姜宗福，劉文廣，侯靜.物理光學(xué)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［7］周劍平.Origin實用教程:7.5版［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007:95-96.

［8］李景鎮(zhèn).光學(xué)手冊［M］.西安:陜西省科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

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Experiment Study of Rotation Effect of Sucrose Solution

WANG Xiaomeng，WANG Shiyan，LI Jing
（College of Science，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，China）

The effect of rotation angel on different concentration sucrose solution in different light sources is measured.The modified instrument can analyze the trend of rotation rate changes with the light source wavelength.Through rotating polarization analyzer，the sucrose solution attribute of left rotation or light rotation is measured.It is proven that the experiment instrument is used for a more intuitive and more profound understanding of the effect rotation，which enriches and expands the experiment teaching contents.In addition to the liquid media，the measurement method is also suitable for the solid media.

different wavelengths of light；rotation effect；rotation angle；rotation rate

O436.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.023

2015-03-03

中國石油大學(xué)（華東）教學(xué)實驗技術(shù)改革資助項目（SY-B201413）。

王曉萌（1989-），女，碩士，助理實驗師，主要從事物理實驗教學(xué)及管理工作。