Optikai mérések műszeres analitikusok számára Polarimetria a szóbeli vizsga 5. tételéhez Frissítés:

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések műszeres analitikusok számára Polarimetria a szóbeli vizsga 5. tételéhez Frissítés:"— Előadás másolata:

1 Optikai mérések műszeres analitikusok számára Polarimetria a szóbeli vizsga 5. tételéhez http://tp1957.atw.hu/mal_o_2.ppt Frissítés: 2015. 12. 02.

2 Polarimetria – tartalomA tétel vázlata A polarizált fény és tulajdonságai Polarizált fény a természetben Polarizált fény előállítása Egy kis fizika és kémia - optikai aktivitás Polarimetria Polariméterek A polarizált fény, illetve a polárszűrők felhasználása –A fény mint transzverzális hullám, a hullám rezgéssíkja –A közönséges és a polarizált fény –Az optikai izoméria, optikai aktivitás és szerkezet kap- csolata –A polarizált fény kölcsön- hatása az optikailag aktív anyagokkal –Az optikai forgatás mértéke –A polariméterek felépítése, az egyes részek feladata Segédeszköz: polariméter elvi vázlata

3 A fény tulajdonságai, polarizálatlan fény A fény mint hullám, három jellemzővel rendelkezik: hullámhossz, a színérzet meghatározója, amplitúdó, ami a fény erősségét jelenti, és polarizáció, melyet nem érzékelünk. A közönséges (természetes) fény általában a terjedésre merőlegesen a tér minden irányában rezeg, nincs a rezgésnek kitüntetett iránya, rezgési síkja. Kép: http://www.physics.louisville.edu/cldavis/phys299/notes/lo_polarisation1.jpg

4 A polarizált fény és tulajdonságai Forrás: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011- 0023_Oktatas_es_technologia/0601.scorml A polarizált fény csak egy síkban rezeg.

5 Hol van polarizált fény? 1.A kék ég fénye nagyrészt polarizált. Oka a Rayleigh- szórás: a fény szóródása a fény -nál sokkal kisebb nemfémes részecskéken (porszemcse, vízcsepp). A Rayleigh-szórás hullámhossz-függő (1/ 4 ). Ezért kék az ég, a kék szeműek szeme, sőt a kökény is; 2.Átlátszó anyagok tükröző felületéről részben polarizált fény verődik vissza. Lord Rayleigh (1842-1919) Forrás: http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/feny/kek.html, Ábra: világlexikonhttp://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/feny/kek.html ezért vörös- sárga a nap- és holdfelkelte.

6 A Nicol-prizmák – polarizált fény előállítása Optikai tengely Főten- gelyek Rendes sugár Rendellenes sugár Izlandi pát kanada- balzsam n rendellenes n rendes határszög

7 Polarizációs szűrők Egy speciálisan színezett műanyagot melegen vékony lap- pá hengerelnek, eközben a műanyag jelentősen megnyúlik: a hosszú láncmolekulák közel párhuzamosan rendeződ- nek. Mivel egy láncmolekula annál több fényt nyel el, minél kisebb szöget zár be a hossztengelyével a poláros fény rezgéssíkja, a műanyag lap (fólia) gyakorlatilag csak egyetlen rezgéssíkú fényt enged át, azaz lineáris polár- szűrőként működik. A hajlékony fóliát keretbe foglalt, vékony üveglapok közé szokták szorítani. Használhatják napszemüveg, fényképé- szeti szűrő, 3D szemüveg, illetve egyéb célokra.

8 Az optikai aktivitás Egyes anyagok a síkban polarizált fény polarizációs síkját elforgatják. Ok: aszimmetria a kristály szerkezetében vagy a molekula szerkezetében. Az egyik legegyszerűbb ilyen molekula a tejsav: COOH │ H – C*– OH │ CH 3 D-tejsav COOH │ HO – C*– H │ CH 3 L-tejsav Ezek egymás tükörképi párjai. A kettő nem hozható fedésbe a térbeli (tetraéderes szénatom) szerkezet miatt. A szerkezet és a forgatás iránya közt nem ismert az összefüggés.

9 Az optikai izoméria Az enantiomerek minden fizikai tulajdonságukban meg- egyeznek (szín, op., fp., sűrűség, stb.) de a síkban pola- rizált fény polarizációs síkját ellentétes irányban forgatják. Relatív konfiguráció: D konfigurációjú, ami a D-glicerin- aldehiddel megegyező szerkezetű. CHO │ H – C – OH │ CH 2 OH D-glicerinaldehid CHO │ HO – C – H │ CH 2 OH L-glicerinaldehid A szerkezet és a forgatás iránya közt nem ismert az összefüggés.

10 A Fischer-féle vetítési szabály A molekula szénatomjai egymás alá kerülnek. A „felső” vége az oxidáltabb, az alsó a kevésbé, mindkettő a középső szénatomtól hátra hajlik. A jobbra és balra lévő atom/atomcsoport kissé előre felé irányul: Amelyikben az oxidáltabb atom/csoport van jobb oldalon, az a D-szerkezetű.

11 Több aszimmetriás szénatom Egy molekulában lehet 2 vagy még több aszimmetriás szénatom is. Az egyik ismert ilyen anyag a borkősav: COOH │ H – C*– OH │ HO – C*– H │ COOH L-borkősav jobbra forgat COOH │ HO – C*– H │ H – C*– OH │ COOH D-borkősav balra forgat COOH │ H – C*– OH │ H – C*– OH │ COOH mezo-borkősav optikailag inaktív: nem forgat (belső szimmetriasík) internetes információkinternetes információk!

12 Az abszolút konfiguráció A D- és az L-konfiguráció helyett ma már inkább az R- és S-konfigurációt használják: A konfiguráció megnevezésére egy elég összetett szabály van (ld. függelék).

13 Az optikai forgatás befolyásoló tényezői A forgatás függ: –a fény hullámhosszától (színétől), –az anyagi minőségtől, –a hőmérséklettől (alig), –a nyomástól (főképp gázok esetén), –oldat esetén az összetételtől (egyenes arányosság), –a fény által megtett úttól (egyenes arányosság). –esetenként az oldószertől (pl. szőlőcukor, ld. később)

14 Az optikai forgatás számtása Az összefüggés:  D = [  D ]·c·ℓ, ahol c az oldat összetétel kg oldott anyag/dm 3 oldat, ℓ a fény úthossza (az oldatot tartalmazó cső hossza), [  D ] a fajlagos forgatás (egységnyi ℓ és c). A fajlagos forgatás számolása: A koncentráció számolása:

15 Fajlagos forgatás Anyagoldószer [  ] fok t [°C ] [ nm ] D2 vitamin (kalciferol)aceton+82,620589,3 kámfor etanol+54,420589,3 D-glükóz víz+52,720589,3 D-fruktóz víz  92,4 20589,3 maltóz víz+138,520589,3 szacharóz víz+66,4120589,3 L-borkősav víz+14,120589,3 koleszterin kloroform  39,5 20546,1 inulin víz  40 20589,3

16 Számolási feladat A 2 dm-es polariméter csövet vízzel töltve a leolvasás: 0,55 ⁰. A 20 g/100 cm 3 cukoroldatra a leolvasás: 27,25 ⁰. a korrigált érték:26,70 ⁰. Az ismeretlen összetételű mintára a leolvasás:19,80 ⁰. a korrigált érték:19,25 ⁰. a) Mennyi a fajlagos forgatás? b) Hány g/100 cm 3 a minta cukortartalma? A fajlagos forgatás számolása: [  D ] = 66,75 ⁰. A koncentráció számolása: c = 14,4 g/100 cm 3

17 A mutarotáció A forgatás függ: oldószer - szerkezet. Vízben oldva az  és a  egy idő után egyensúlyba kerül, és 52, 7 ⁰ lesz a fajlagos forgatás értéke. nyílt láncú forma  -D-glükóz (axiális), vízből ez válik ki. Fajlagos forgatása 112 ⁰.  -D-glükóz (ekvatoriális), piridinből ez válik ki. Fajlagos forgatása 18,7 ⁰. 4. házi feladat Hány % az  -D- glükóz és a  -D- glükóz a vizes oldatban?

18 A polariméter elvi felépítése Ábra: http://jeanbont.pbworks.com/w/page/36946820/MO%20ABOUT %20ISOMERS%20ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZNO WIKNOWMYABCNEXTTIMEWONTYOUSINGWITHMEEEEEE EEEEEEEEEEEEEE

19 A polariméter tényleges felépítése A Lippich-féle (félárnyék) polariméter vázlata Na: nátriumgőzlámpa,L1, L2: lencserendszerek, P: polarizátor, SP: segédprizmák, M: mintatartó cső, A: analizátor) Ábra: http://mkk.szie.hu/dep/chem/hg/mgjk5.pdf 34521

20 A Lippich-polariméter

21 A polariméter leolvasása A nóniusz skála (az ábrán egy tolómérő látható, a leolvasás azonos módon történik)

22 A nóniusz skála leolvasása A nóniusz („kilences”) skála: a „rendes” skálán 9 egység a nóniusz skálán 10 részre van osztva (vagy 19 egység 20 részre) Leolvasás: 1.Megnézzük, a nóniusz skála 0 pontja a rendes skála melyik két osztása közé mutat. 2.Ezek közül a kisebb lesz a leolvasott érték egész része. 3.Megkeressük, a nóniusz skála melyik osztásának egyenes folytatása a rendes skála valamelyik osztása. 4.Ez lesz a leolvasott érték törtrésze. 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 9,9

23 A nagy nóniusz (19-es) skála leolvasása A nagy nóniusz skála: a „rendes” skálán 19 egység 20 részre van osztva Leolvasás: hasonló, de 1/20 (0,05) pontossággal olvasható le. Érték: 13,60 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40

24 A polariméter leolvasása A látómező három része legyen egyforma sötét! belső külső hibás leolvasás helyes leolvasás

25 A skála leolvasása Ábra: http://phys.chem.elte.hu/tanarlab/meres/polari/polar4.jpg

26 Mintatartó csövek http://www.thermofisher.com.au/show.aspx?page=/ContentAUS/Environmental- Industrial/Process-Monitoring-Industrial-Instruments/Material-Characterisation- Testing/Refractometers-Polarimeters/Polarimeter-Accessories-SH.html

27 Automata polariméter

28 A polárszűrők alkalmazása - LCD Folyadékkristályos kijelzők A látható fény (nem polarizált) először áthalad egy polár-szűrőn, melynek következtében polarizálódik. Az ember szabad szemmel nem tudja megkülönböztetni egymástól a polarizált és a nem polarizált fényt. A kijelzőben az immár polarizált fény áthalad a folyadékkristályt tartalmazó rétegen, melyet két elektród közé teszünk. Az áthaladás után a polarizált fény síkja 90 fokkal elfordul a folyadék-kristállyal való kölcsönhatás következtében. Amennyiben feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályos rétegre, akkor a polarizált fény síkja nem fordul el (ld. ábra). A különleges rétegen áthaladó polarizált fény ismét egy polárszűrőre esik, ami csak akkor ereszti át, ha a fény síkja a fentire merőleges. Ha áthalad rajta, akkor az alul elhelyezkedő tükörről visszaverődve a kijelzőn világosságot látunk. Amennyiben a folyadékkristályos rétegre vagy annak egy részére feszültséget kapcsolunk, a kijelzőn sötétséget észlelünk. A folyadékkristályos réteg kiképzésétől függően számokat, betűket, rajzokat is meg lehet jeleníteni a kijelzőn. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_45_optika_es_latorendszerek/ch02s06.html

29 LCD http://www.fizkapu.hu/fizfoto/fotok/fizf0772-3.jpg

30 A polárszűrők alkalmazása - Fényképezés Az üveg, víz, lakk, porcelán stb. tárgyak felületeinek tükröző- dései gyakran használhatatlanná teszik a fényképfelvételeket. Polarizációs szűrő használatával, valamint a felvételi pont helyes megválasztásával teljesen megszüntethetők vagy nagymérték- ben csökkenthetők ezek a káros visszaverődések. Teljesen megszűnnek, ha a felvételt olyan irányból készítjük, amely megfelel a polarizáció szögének. A visszavert fény polarizált. Ez jut az objektívre illesztett polarizációs szűrőre. A polarizációs szűrőt forgatva és közben a képet figyelve a matt üvegen, láthatjuk a szűrő hatását. Ha a tükröző felületek és a föltett szűrő polarizációs síkja egy irányba esnek, akkor a visszaverődések megmaradnak, ha viszont a polarizációs síkok 90°-os szögben vannak, akkor eltűnnek. Az ég kékjét, illetve a felhők fehérségét is kiemeli a polárszűrő. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_45_optika_es_latorendszerek/ch02s06.html

31 A polárszűrők alkalmazása - 3D vetítés Térbeli kép fényképészeti előállításához két felvétel szükséges. Ezeket általában egymástól olyan oldaltávolságból készítjük, amely megfelel az emberi szem távolságának. Ezáltal a jobb oldali részfelvételen az a kép látszik, amit a jobb szem látna. Ugyanígy mutatja a bal szemnek megfelelő képet a bal oldali felvétel. A két kép együttes szemlélésekor térbeli hatás keletkezik, ha a jobb szemmel csak a jobb oldali, a bal szemmel pedig csak a bal oldali képet látjuk. Ez elérhető polarizációs szűrővel is. A két képet ekkor két külön készülékkel egymásra vetítik. A két vetítő objektív elé polarizációs szűrőt helyeznek úgy, hogy polarizációs síkjuk merőleges legyen egymásra. Vetíteni fémporbevonatú képernyőre (Silver screen vagy Z screen) kell, mert a hagyományos fehér vászon depolarizálná a visszaverődő fényt. A néző speciális szemüvegen keresztül nézi a képet, melynek lencséi polarizáló szűrők. A jobb szem előtti szűrő polarizációs síkja párhuzamos a jobb oldali részképet vetítő objektív szűrőjének polarizációs síkjával, és ugyanígy a bal szem és a bal oldali részképet vetítő objektív előtti szűrők polarizációs síkja is párhuzamos. Ezáltal mindegyik szem csak a hozzá tartozó részképet láthatja. A két részképet az emberi agy egyetlen térbeli képpé olvasztja össze. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_45_optika_es_latorendszerek/ch02s06.html

32 A polárszűrők alkalmazása - feszültség vizsgálat A feszültségvizsgáló nem kristályos anyagokban, például üvegben vagy mű- gyantában, mechanikai terhelés hatására keletkező feszültségek tanulmányo- zására szolgál. Ezek az anyagok ugyanis nyomás, húzás, hajlítás, nyírás vagy csavarás hatására kettősen törővé válnak. A feszültségvizsgáló fő részei a természetes fényt kibocsátó fényforrás, a természetes fényből lineárisan polarizált fényt előállító polarizátor és ennek polarizációs síkjára merőleges polarizációs síkú analizátor. Ha feszültséges testet helyezünk a polarizátor és az analizátor közé, akkor a rajta áthaladó polarizált fény két, egymásra merőleges összetevőre bomlik. A feszültséges helyeken a járulékos kettős törés miatt a két komponens nem egyenlő sebességgel terjed, – hullámhossztól függő – fáziskülönbség keletkezik, így a kép színessé válik. Az elszíneződés hullámhossza és erőssége a feszültség nagyságát jelzi. Ezzel a módszerrel ellenőrzi az optikai műszerész a gyártás során az üveglemezeket, tömböket és sajtolt elemeket (preszlingeket). Már az üveg gyártásakor keletkezhetnek feszültségek a túl gyors hűtés miatt, ami selejtet eredményezne, ha nem észlelnék időben. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_45_optika_es_latorendszerek/ch02s06.html

33 Függelék: Az égbolt fényének polarizációja 1. 1809 Dominique Francois Jean Arago (1786-1853) felfe- dezte az ég polarizált fényét. 1810 Az ég egy pontjáról (Arago-pont, a Nappal szemközt 20-35°-kal feljebb) polarizálatlan fény jön. 1840 Jacques Babinet (1794-872) az ég 2. pontja, polari- zálatlan fénnyel (Nap felett 20-35°-kal). 1842-ben David Brewster (1781-1868) az ég 3. neutrális pontja (a Nap alatt van 20-35°-kal). 1871 Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842-1919), a polarizáció oka a szóródás. 2001 negyedik neutrális pont létét (Nappal szemközt 20- 35°-kal feljebb) hőlégballonról végzett képalkotó polarimetriai vizsgálatokkal mutatták ki.

34 Függelék: Az égbolt fényének polarizációja 2. Forrás: http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/feny/kek.html A légköri polarizáció tényleges eloszlása (folytonos) és a polarizációs síkok valós helyzete (szaggatott) Az elsődleges polarizáció eloszlása az égbolt síkbeli vetületén, ha a Nap éppen a horizont síkjában van (folytonos) és a polarizációs síkok égbolttal alkotott metszésvonalai (szaggatott)

35 Függelék: A polarizált fény és az állatok Az ég polarizációjának az állatok tájékozódása szempont- jából fontos jellemzője, hogy az égboltfény polarizáció- mintázata szinte minden meteorológiai körülmény között hasonló, és jellegzetes tükörszimmetriával bír, melynek szimmetriatengelye a szoláris és antiszoláris meridián. Ez teremt arra lehetőséget, hogy a polarizáció-érzékeny állatok még akkor is meghatározhassák a Nap irányát, amikor azt felhő vagy köd fedi. A tiszta, a részben felhős, a teljesen borult, a füstös és a ködös égbolt mind stabil, a Nappal együtt forgó polarizációs iránymintázattal rendelkezik, melyből a Nap azimutszöge határozható meg, ha az égboltfény polarizációfoka nem kisebb, mint a polarizáció-érzékenység küszöbe. Ha e küszöb megfelelően alacsony, akkor az állat kedvezőtlen körülmények között is képes a nem látható Nap irányát az égbolt polarizáció irány-mintázatából megbecsülni.

36 Függelék: Érdekességek a kiralitásról A természetben nem mindegyik vegyület „párja” fordul elő. A fehérjéket felépítő aminosavak mind L szerkezetűek. A hidroxi-karbonsavak és a szénhidrátok mind D szerkezetűek: A csigaházak is királisak, 90 %-ban egyfelé csavarodnak. Merre? COOH │ H – C – OH │ R D-hidroxisav COOH │ H 2 N – C – H │ R L-aminosav

37 R és S konfiguráció A szabály: 1.Az aszimmetriás atomhoz kapcsolódó atomokat/csopor- tokat prioritási sorrendbe állítjuk atomszám szerint: pl. ha H, OH és CH 3 kapcsolódik: 1. CH 3, 2. OH, 3. H. 2.Azonos atomszám esetén az atomok rendszáma szerint van a prioritás, pl. 1. SH, 2. OH (a kén nagyobb rend- számú, mint az oxigén). 3.Figyelembe veszik a többszörös kötéseket is, mintha több atom kapcsolódna, pl. >C=Y helyett >CY 2. 4.Úgy állítjuk be a modellt, hogy a 4. számot kapott atom legyen hátul. 5.Ha az 1→2→3 körüljárási irány jobbra van, az az „R” izomér, ha balra, az az „S” izomér.

38 Függelék: Optikai izomérek különbségei A természetben egyes vegyületek „párja” is előfordul, ezek érzékszervi tulajdonságai lehetnek eltérőek: A karvon egyik izomérje a kömény (Carum carvi) illat- anyaga, a másik a fodormentáé. Ez melyik izomér? Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Carvone

39 Szakirodalom Pálinkás József: Kísérleti Fizika IV. Kádár Endre: Fénytan (ppt) http://elbandosz.atw.hu/fenytan.ppt http://www.mozaweb.hu/Lecke-MOZ-A_feny- A_feny_polarizacioja-99583 http://www.sze.hu/~bertam/Oktatasi_anyagok/fiz_optika.pdf Horváth Gábor, Barta András, Gál József, Pomozi István, Suhai Bence, Szél Győző, Varjú Dezső: A poláros fény rejtett dimenziói 1. rész Sarkított fény a természetben, polarizációs mintázatok http://www.termeszetvilaga.hu/otka/petrik.html http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010- 0017_45_optika_es_latorendszerek/ch02s06.html http://hu.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BCk%C3%B3z