Optikai mérések műszeres analitikusok számára

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések műszeres analitikusok számára"— Előadás másolata:

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

2 A tétel tartalma Kiralitáscentrummal rendelkező anyagok optikai vizsgálata. A polarimetria elvi alapjai, analitikai alkalmazása A fény mint transzverzális hullám, a hullám rezgéssíkja A közönséges és a polarizált fény Az optikai izoméria, optikai aktivitás és szerkezet kapcsolata A polarizált fény kölcsönhatása az optikailag aktív anyagokkal Az optikai forgatás mértéke A polariméterek felépítése, az egyes részek feladata A tételhez használható segédeszköz: polariméter elvi vázlata Kulcsszavak, fogalmak: A fény rezgéssíkja A polarizált fény előállítása Királis (aszimmetrikus) szénatom Balra és jobbra forgató izomerek A forgatás mértékének függése hőmérséklettől, hullámhossztól, anyagi minőségtől, koncent-rációtól Összetétel – forgatás össze-függése, fajlagos forgatás A polariméter felépítése

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:

4 A polarizált fény és tulajdonságai
A polarizált fény csak egy síkban rezeg. Forrás:

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. ezért vörös-sárga a nap- és holdfelkelte. Lord Rayleigh ( ) Forrás: Ábra: világlexikon

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

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 polárizált 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 │ HO – C*– H CH3 L-tejsav COOH │ H – C*– OH CH3 D-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 │ HO – C – H CH2OH L-glicerinaldehid CHO │ H – C – OH CH2OH D-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 │ HO – C*– H H – C*– OH D(–)-borkősav balra forgat COOH │ H – C*– OH HO – C*– H L(+)-borkősav jobbra forgat COOH │ H – C*– OH mezo-borkősav optikailag inaktív: nem forgat (belső szimmetriasík) internetes 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/dm3 oldat, ℓ a fény úthossza (az oldatot tartalmazó cső hossza), [D] a fajlagos forgatás (egységnyi ℓ és c, adott ). A fajlagos forgatás számolása: A koncentráció számolása:

15 Fajlagos forgatás Anyag oldószer [] fok t [°C ]  [ nm ]
D2 vitamin (kalciferol) aceton +82,6 20 589,3 kámfor etanol +54,4 D-glükóz víz +52,7 D-fruktóz 92,4 maltóz +138,5 szacharóz +66,41 L-borkősav +14,1 koleszterin kloroform 39,5 546,1 inulin 40

16 Számolási feladat A 2 dm-es polariméter csövet vízzel töltve a leolvasás: ,55⁰. A 20 g/100 cm3 cukoroldatra a leolvasás: 27,25⁰. a korrigált érték: 26,70⁰. Az ismeretlen összetételű mintára a leolvasás: 19,80⁰. a korrigált érték: 19,25⁰. a) Mennyi a fajlagos forgatás? b) Hány g/100 cm3 a minta cukortartalma? A fajlagos forgatás számolása: [D] = 66,75⁰. A koncentráció számolása: c = 14,4 g/100 cm3

17 Hány % az -D- glükóz és a -D- glükóz a vizes oldatban?
A mutarotáció A forgatás függ: oldószer - szerkezet. Vízben oldva az  és a  egy idő után egyensúlyba kerül, és 52, 7⁰ lesz a fajlagos forgatás értéke. -D-glükóz (axiális), vízből ez válik ki. Fajlagos forgatása 112⁰. 4. házi feladat Hány % az -D- glükóz és a -D- glükóz a vizes oldatban? -D-glükóz (ekvatoriális), piridinből ez válik ki. Fajlagos forgatása 18,7⁰. nyílt láncú forma

18 A polariméter elvi felépítése
Ábra:

19 A polariméter tényleges felépítése
3 4 5 2 1 A Lippich-féle (félárnyék) polariméter vázlata Na: nátriumgőzlámpa, L1, L2: lencserendszerek, P: polarizátor, SP: segédprizmák, M: mintatartó cső, A: analizátor) Ábra:

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: Megnézzük, a nóniusz skála 0 pontja a rendes skála melyik két osztása közé mutat. Ezek közül a kisebb lesz a leolvasott érték egész része. Megkeressük, a nóniusz skála melyik osztásának egyenes folytatása a rendes skála valamelyik osztása. Ez lesz a leolvasott érték törtrésze. ,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

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

25 A skála leolvasása Ábra:

26 Mintatartó csövek

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.

29 LCD

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.

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.

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.

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

34 Függelék: Az égbolt fényének polarizációja 2.
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) A légköri polarizáció tényleges eloszlása (folytonos) és a polarizációs síkok valós helyzete (szaggatott) Forrás:

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 │ H2N – C – H R L-aminosav COOH │ H – C – OH R D-hidroxisav

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 CH3 kapcsolódik: 1. CH3, 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 >CY2. 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. Forrás: Ez melyik izomér?

39 Szakirodalom Pálinkás József: Kísérleti Fizika IV.
Kádár Endre: Fénytan (ppt) 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