旋光性介质对电磁波影响的分析与讨论.DOC

臺灣2006國際科學展覽會 研究報告書 編 號：020022-14 作 者：王維淳、王洪斌 次 要 作 者： 劉傑瑋、吳莉羚、翁晟哲 作品名稱：旋光性介質對電磁波影響的分析與討論壹、研究動機 光是影響人類生命與文明發展的重要因素。在上過「高一基礎物理第五章－光」之後，我們了解到光兼具波與粒的性質，而且還知道我們看見的光與收音機收到的無線電波其實是一樣的物理現象－電磁波。而在課堂中，物理老師也為我們簡單描述過，電磁波是由電場與磁場兩者相互振盪，不斷地將能量向前傳遞的結果（圖一）。同時也概略地知道光具有偏振的性質，明白為什麼攝影師從外面拍攝櫥窗內的物體時，只需要加一片偏振片便可將櫥窗玻璃上惱人反射光濾除。 日常生活中，我們偶而會飲用一些含有維他命C 的飲料，有時會在包裝上看見廠商特別註明「左旋C」這幾個字，而「左旋C」到底時什麼東西呢？在我們請教了化學老師後，知道原來自然界有許多物質具有將偏振光旋轉的性質－旋光性介質，而向左或向右旋轉的特性差異則稱為「光學異構物」。 因此，我們參考老師們的意見後，找了許多日常生活中的物品，希望能觀察到電磁波旋轉的奇妙現象，了解旋光性介質對電磁波的影響。 圖一 貳、研究目的 本研究的主要目的如下： 觀察可見光通過線性偏振片後，亮度的變化情形。 觀察並紀錄偏振光通過旋光性介質後，偏振方向變化情形。 討論旋光性介質對電磁波偏振行為的影響。 参、研究問題 本研究計劃探討的主要問題如下： 觀察各種糖對電磁波造成的旋光性行為。 討論糖的種類、濃度、比重、溫度變化對旋光性行為的影響。 觀察含維他命C之飲料對電磁波的影響。 觀察蜂蜜對電磁波的影響。 肆、研究方法及步驟 一、研究原理 （一）、偏振原理： 在這個有線電視的時代裡，要在住家屋頂上看見電視天線似乎有點困難了。不過偶而在逛街時，稍微留意一下，還是能見到它的蹤影。我們可以發現，每具天線都是以相同的方式裝置著。在課堂上學過電磁波後，我們可以初步地了解那是因為電視台發射的電磁波具有單方向偏振性；而我們屋頂上的天線也必須依照該偏振方向裝置，才能收到清晰的訊號。但是一般我們看見的光源所放射出的電磁波則是隨意偏振或未偏振的，由振盪的電場加上垂直電場的磁場所組成。我們將電場震盪的平面稱為「振盪平面」，但是未偏振的電磁波是由許多行進方向相同，但是振盪平面不同的電磁波疊加而成的（圖二）。目前我們知道，我們可以藉由一些方法到偏振光，如偏振片（圖三）、反射光、原子或分子的散射光、、、等等。【參考資料一】 圖二圖三 （二）、偏振片： 實驗室裡，我們利用簡單的偏振片，就可以得到單一偏振的偏振光（圖三）。此偏振片（又稱起偏器或偏振濾波片）是在1932年由Edwin Land所發明的，當時他還是個大學生。此片是將特定長鏈狀分子分布於塑膠中製造時，要使數排延伸的分子相互平行，像犁耕過的田地一般。當光傳播至此片時，延著某特定方向電場的分量可以通過，而垂直該方向的分量則會完全被吸收且消失（圖三）。 如果入射到偏振片上的是已偏振光，則當偏振片的偏振方向與偏振光的振動方向一致時，所穿透出的光最強；旋轉偏振片，當這兩個方向互相垂直時，則沒有透射光。所以我們將未偏振光射入兩片相互垂直的偏振片時，這兩片偏振片可以完全吸收所有射入的光線。不過，在兩相互垂直的偏振片中加一片偏振片，而此偏振片與原來兩片偏振片皆不垂直，我們發現會有偏振光穿透這組片振片系統（圖四）。圖四 （三）、旋光性理論： 當我們上化學課第六章－化學反應速率時，化學老師偶然提到糖類具有旋光性告訴我們葡萄糖和蔗糖具有「右旋光性」，而果糖具有「左旋光性」。並且向我們介紹微生物學之父巴斯德（Louis Pasteur, 1822-1895）。他發現了酒石酸晶體有兩種相對的結晶型，成溶液時會使光向相反的方向旋轉，因而定出分子有左旋與右旋不同結構的「光學異構」現象，創立「旋光性原理」。此乃許多科學家所無法解決的大課題，因而使他成為「立體化學」的創始者。 旋光性溶液所偏轉的大小是由以下因素所決定：(1) 所使用的光之波長波長越短其偏轉的角度越大(2) 光所經過的溶液層之路程偏轉的程度與光所經之路徑長度成正比(3) 旋光性物質的本質及其在溶液中的濃度大小對某些特殊的物質而言，其旋光本領隨著濃度而增加，但是其過程是很複雜的(4) 溫度不論是正或負的溫度係數均會產生旋光性。【參考資料】 二、研究 （一觀察光通過偏振片的偏振現象 1、取一片線性偏振片，觀察可見光經過偏振片後，透射光強度的變化情形。 2、再取一片線性偏振片，觀察兩片偏振片對可見光強度的影響。 二實驗裝置 我們使用圓型鋁管，兩端車牙後，管的前後兩端可旋入光學玻璃，形成一個密封的圓柱形容器。為了擔心會有滲水的現象發生，我們在玻璃的周圍小心地塗上防水膠。再於前後端鎖上線