2旋光仪的原理及使用方法.pdf

2 旋光仪的原理及使用方法 2.1基本原理 1. 平面偏振光的产生 一般光源辐射的光，其光波在垂直于传播方向的一切方向上振动(圆振动)，这种光称为 自然光。当一束自然光通过双折射的晶体(例如方解石)时，就分解为两束互相垂直的平面偏 振光，如图3-5所示。 图3-5 平面振折光的产生 这两束平面偏振光在晶体中的折光率不同，因此其临界折射角也不同，利用这个差别可 以将两束光分开，从而获得单一的平面偏振光。尼科尔(Nicol)棱镜就是根据这一原理来设 计的。它是将方解石沿一定对角面剖开再用加拿大树胶粘合而成，如图3-6所示。当自然光 迸入尼科尔棱镜时就分成两束互相垂直的平面偏振光，由于折射不同，当这两束光到达方解 石与加拿大树胶的界面上时，其中折光较大的一束被全反射，而另一束可自由通过。全反射 的一束光被直角面上的黑色涂层吸收，从而在尼科尔棱镜的出射方向上获得一束单一的平面 偏振光。在这里，尼科尔棱镜称为起偏镜，它是用来产生偏振光的。 图3-6 尼科尔棱镜的起偏振原理 1 2.平面偏振光角度的测量 偏振光振动在空间轴向角度位置的测量也是借助于一块尼科尔棱镜，此处它被称为检偏 镜。它与刻度盘等机械零件组成一个可同轴转动的系统，如图3-7 。由于尼科尔棱镜只允许 按某一方向振动的平面偏振光通过，因此如果检偏镜光轴的轴向角度与入射的平面偏振光的 轴向角度不一致，则透过检偏镜的偏振光将发生衰减或甚至不透过。当一束光经过起偏镜(它 是固定不动的)时，平面偏振光沿OA方向振动，如图3-7所示，设OB为检偏镜允许偏振光透 过的振动方向，OA与OB的夹角θ ，则振幅为E 的OA方向的平面偏振光可分解为两束互相垂 E cos  E sin  E cos  直的平面偏振光分量，其振幅分别为 和 其中只有与OB相重的分量 ， 可以透过检偏镜，而与OB垂直的分量E sin 则不能通过。显然当θ =0, E cos =E ，透过 检偏镜的光最强，此即检偏镜光轴的轴向角度转到与入射的平面偏振光的轴向角度相重合的 情况。当两者互相垂直时，θ =π/2，E cos  0 ，此时就没有光透过检偏镜。由于刻度盘 随检偏镜一起同轴转动，因此就可以直接从刻度盘上读出被测平面偏振光的轴向角度(游标 尺是固定不动的)。 图3-7 尼科尔检偏镜与刻度盘的相对关系 图3-8 检偏原理示意图 2.2 旋光仪和旋光度的测量 旋光仪就是利用检偏镜来测定旋光度的。如调节检偏镜使其透光的轴向角度与起偏镜 的透光的轴向角度互相垂直，则在检偏镜前观察到的视场呈黑暗，再在起偏镜与检偏镜之间 放入一个盛满旋光物质的样品管，由于物质的旋光作用，使原来由起偏镜出来在OA方向振动 2 的偏振光转过一个角度a,这样在OB方向上有一个分量，所以视野不呈黑暗，必须将检偏镜也 相应地转过一个a角度，这样视野才能重新恢复黑暗。因此检偏镜由第一次黑暗到第二次黑 暗的角度差，即为被测物质的旋光度(图3-8)。 如果没有比较，要判断视场的黑暗程度是困难的，因此设计了一种三分视野(也可设计 成二分视野)，以提高测量的准确度。三分视野的装置和原理(图3-9)如下：在起偏镜后的中 部装一块狭长的石英片，其厚度约为视野的1/3，由于石英片具有旋光性，从石英片中透过 的那一部分偏振光被旋转了一个角度 ，如图3-9 (a)所示，此时从望远镜视野看起来透过石  英片的那部分光稍暗，两边的光很强。由于此时检偏镜的投光轴向处于与起偏镜重合的位置， OA是透过起偏镜后的偏振光轴向角度，OA′是透过石英片后的轴向角度，OA与OA′的夹 角 称为“半暗角”。旋转检偏镜使OB与OA′垂直，则 