편광이 때, 편광 빔 겪을의 회전을 측정하는 것이 유리가 될 수있는 광학 활성 물질 (예를 들어 토르말린) 또는 당액을 통과한다.
이것은 광학 분석 방법에 속하고 특히 화학 및 농식품 산업에서 설탕 용액의 농도를 결정하는 다양한 응용 분야에 속하는 간단한 기술입니다.
그림 1. 디지털 자동 편광계. 출처 : Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter
기초
이 기술의 물리적 기반은 서로 수직 방향으로 움직이는 전기장과 자기장으로 구성된 전자기파로서의 빛의 속성에 있습니다.
전자기파는 횡 방향이므로 그림 2에 따라 이러한 필드가 차례로 수직 방향으로 전파됩니다.
그러나 필드는 각 원자에서 나오는 수많은 파동 열로 구성되어 있고 각 원자는 서로 다른 방향으로 진동하기 때문에 자연광이나 백열 전구에서 나오는 것은 편광되지 않습니다.
반대로, 필드 진동이 우선적 인 방향으로 발생하면 빛이 편광된다고합니다. 이것은 광선이 원하지 않는 구성 요소를 차단할 수있는 특정 물질을 통과시키고 특히 하나만 통과하도록 허용함으로써 달성 될 수 있습니다.
그림 2. x 축을 따라 전파되는 전자기장의 애니메이션. 출처 : Wikimedia Commons. And1mu.
또한 광파가 단일 파장으로 구성된 경우 선형 편광 단색 빔이 있습니다.
이를 위해 필터 역할을하는 물질을 편광판 또는 분석기라고합니다. 그리고 편광면을 회전시키는 편광에 반응하는 물질이 있습니다. 그들은 예를 들어 설탕과 같은 광학 활성 물질로 알려져 있습니다.
편광계의 종류
일반적으로 편광계는 수동, 자동 및 반자동 및 디지털이 될 수 있습니다.
매뉴얼
수동 편광계는 교육 실험실 및 소규모 실험실에서 사용되는 반면 자동 편광계는 측정에 소요되는 시간을 최소화하기 때문에 많은 측정이 필요한 경우 선호됩니다.
자동 및 디지털
자동 및 디지털 모델에는 빛의 변화에 반응하여 측정의 정밀도를 크게 높이는 센서 인 광전 감지기가 함께 제공됩니다. 또한 조작하기 매우 쉬운 디지털 화면에서 읽을 수있는 기능도 있습니다.
편광계의 일반적인 작동을 설명하기 위해 수동 광학 유형이 아래에 설명되어 있습니다.
작동 및 부품
기본 편광계는 두 개의 Nicol 프리즘 또는 폴라로이드 시트를 사용하며 그 사이에 분석 할 광학 활성 물질이 있습니다.
William Nicol (1768-1851)은 스코틀랜드의 물리학 자로서 그의 경력의 대부분을 계측에 바쳤습니다. Nicol은 1828 년에 입사광을 분리 할 수있는 광물 인 방해석이나 아이슬란드 스파의 결정을 사용하여 편광을 얻을 수있는 프리즘을 만들었습니다. 그것은 편광계의 건설에 널리 사용되었습니다.
그림 4. 복굴절 방해석 결정. 출처 : Wikimedia Commons. APN MJM.
편광계의 주요 부분은 다음과 같습니다.
-광원. 일반적으로 파장이 알려진 나트륨, 텅스텐 또는 수은 증기 램프.
-편광판. 구형 모델은 니콜 프리즘을 사용했지만 현대 모델은 일반적으로 요오드 원자를 가진 장쇄 탄화수소 분자로 만든 폴라로이드 시트를 사용합니다.
-샘플 홀더. 길이가 가변적이지만 정확히 알려진 분석 대상 물질이 배치되는 곳.
-버니어 스케일과 함께 제공되는 접안 렌즈 및 인디케이터. 관찰자가 샘플의 회전력을 정확하게 측정 할 수 있습니다. 자동 모델에는 광전 센서가 있습니다.
-또한 온도 및 파장 표시기. 많은 물질의 회전력은 이러한 매개 변수에 따라 달라집니다.
그림 5. 수동 편광계의 계획. 출처 : Chang, R. Chemistry.
Laurent 편광계
설명 된 절차에서는 사람의 눈이 광도의 매우 작은 변화를 감지 할 수 없기 때문에 관찰자가 최소 빛을 조정할 때 작은 단점이 있습니다.
이 문제를 극복하기 위해 Laurent 편광계는 복굴절 재료로 만들어진 반 파장 지연 하프 시트를 추가합니다.
이러한 방식으로 관찰자는 관찰자에게 필드라고하는 서로 다른 광도의 인접한 2 개 또는 3 개의 영역을 갖게됩니다. 이렇게하면 눈이 조도를 쉽게 구분할 수 있습니다.
모든 필드가 똑같이 어두워지는 방식으로 분석기를 돌리면 가장 정확한 측정이 가능합니다.
그림 6. 편광계의 수동 판독. 출처 : F. Zapata.
비오의 법칙
Biot의 법칙은 60 진법으로 측정 된 광학 활성 물질의 회전력 α를 해당 물질의 농도 c (솔루션 일 때) 및 광학 시스템의 기하학과 관련시킵니다.
이것이 편광계의 설명, 빛의 파장 값과 샘플 홀더의 파장 값을 알아야한다는 점을 강조한 이유입니다.
비례 상수는 솔루션의 특정 회전력이라고하며 표시됩니다. 그것은 입사광의 파장 λ와 샘플의 온도 T에 따라 다릅니다. 의 값은 일반적으로 나트륨 광, 특히 파장이 589.3 nm 인 경우 20 ° C에서 표로 작성됩니다.
분석 할 화합물의 유형에 따라 Biot의 법칙은 다른 형태를 취합니다.
-광학 활성 고체 : α = .ℓ
-순수한 액체 : α =. ℓ.ρ
-광학 활성이있는 용질이있는 용액 : α =. ℓ.c
-여러 광학 활성 성분이있는 샘플 : ∑α i
다음과 같은 추가 수량 및 단위 :
-시료 홀더 길이 : ℓ (고체는 mm, 액체는 dm)
-액체의 밀도 : ρ (g / ml 단위)
-농도 : c (g / ml 또는 몰 농도)
장점과 단점
편광계는 다양한 분야에서 매우 유용한 실험실 장비이며 각 유형의 편광계는 용도에 따라 장점이 있습니다.
이 기술 자체의 가장 큰 장점은 비파괴 검사이며 값 비싸고 가치있는 샘플을 분석 할 때 적합하거나 어떤 이유로 든 복제 할 수 없다는 것입니다. 그러나 편광 측정은 어떤 물질에도 적용 할 수 없으며 광학 활성 또는 키랄 물질이있는 물질에만 적용됩니다.
불순물이 있으면 결과에 오류가 발생한다는 점도 고려해야합니다.
분석 된 물질에 의해 생성되는 회전 각도는 분자 유형, 용액의 농도 및 사용 된 용매와 같은 특성과 일치합니다. 이러한 모든 데이터를 얻으려면 사용 된 빛의 파장, 온도 및 샘플 홀더 용기의 길이를 정확히 알아야합니다.
적절한 장비를 선택할 때 샘플을 분석하려는 정밀도가 결정적입니다. 그리고 그 비용도.
수동 편광계의 장단점
-저비용 디지털 버전도 있지만 저렴한 경향이 있습니다. 이것에 관해서는 많은 제안이 있습니다.
-작업자가 기술의 이론적, 실제적 측면에 익숙해지는 데 도움이되므로 교육 실험실 및 교육용으로 사용하기에 적합합니다.
-거의 항상 유지 보수가 적습니다.
-그들은 저항력이 있고 내구성이 있습니다.
-측정 값을 읽는 것은 좀 더 힘들다. 특히 분석 할 물질의 회전력이 낮은 경우 작업자는 일반적으로 전문 인력입니다.
자동 및 디지털 편광계의 장단점
-취급 및 읽기가 쉬우 며 전문 인력이 필요하지 않습니다.
-디지털 편광계는 데이터를 프린터 또는 저장 장치로 내보낼 수 있습니다.
-자동 편광계는 측정 시간이 더 짧습니다 (약 1 초).
-간격으로 측정 할 수있는 옵션이 있습니다.
-광전 검출기로 회전력이 낮은 물질을 분석 할 수 있습니다.
-측정에 가장 큰 영향을 미치는 매개 변수 인 온도를 효율적으로 제어합니다.
-일부 모델은 비싸다.
-유지 보수가 필요합니다.
응용
Polarimetry는 처음에 언급했듯이 많은 응용 분야가 있습니다. 영역은 다양하며 분석 할 화합물은 유기 및 무기도 될 수 있습니다. 다음은 그중 일부입니다.
-의약품 품질 관리에서 의약품 제조에 사용되는 물질의 농도와 순도가 적절한 지 확인하는 데 도움이됩니다.
-식품 산업의 품질 관리를 위해 설탕의 순도와 음료 및 과자의 함량을 분석합니다. 이러한 방식으로 사용되는 편광계는 saccharimeters라고도하며 다른 응용 분야에서 사용되는 것과 다른 특정 스케일 인 ºZ 스케일을 사용합니다.
그림 7. 와인과 과일 주스의 당 함량에 대한 품질 관리는 편광 측정에 의해 수행됩니다. 출처 : Pixabay.
-또한 식품 기술에서 샘플의 전분 함량을 찾는 데 사용됩니다.
-천체 물리학에서 편광계는 별의 빛의 편광을 분석하고 천문 환경에 존재하는 자기장과 항성 역학에서의 역할을 연구하는 데 사용됩니다.
-편광계는 안구 질환 감지에 유용합니다.
-높은 콘트라스트의 영상을 촬영하여 공해, 해양 또는 육지의 오염 지역에서 선박을 관찰하기위한 위성 원격 감지 장치.
-화학 산업에서는 편광 측정법을 사용하여 광학 이성질체를 구분합니다. 이 물질은 분자가 동일한 구성과 구조를 갖기 때문에 동일한 화학적 특성을 갖지만 하나는 다른 하나의 거울 이미지입니다.
광학 이성질체는 빛을 편광 (거울상 이성질체)하는 방식이 다릅니다. 하나의 이성질체는 항상 관찰자의 관점에서 왼쪽 (왼손잡이) 및 다른 하나는 오른쪽 (오른 손잡이)으로 편광합니다.
- AGS 분석. 편광계 란 무엇입니까? 출처 : agsanalitica.com.
- Chang, R. Chemistry. 2013. 11 판. McGraw Hill.
- Gavira, J. Polarimetry. 출처 : triplenlace.com.
- 과학 기기. 편광계. 회수 처 : uv.es.
- 발렌시아 폴리 테크닉 대학교.
설탕의 순도 결정 에 편광계를 적용합니다 . 출처 : riunet.upv.es.