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| polarisation [2009/06/18 15:10] – oelke | polarisation [2009/06/18 15:23] (current) – oelke |
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| ==== POLARIMETRIE ==== | ==== POLARIMETRIE ==== |
| In Chemie und Kristallografie, Biowissenschaften und Medizin und in einer Vielzahl technischer Bereiche wird in Messtechnik und Anwendungen von den Eigenschaften und Erscheinungen polarisierten Lichtes Gebrauch gemacht. Polarimetrische Konzentrationsbestimmungen optisch aktiver Substanzen in Lösungen finden in Chemie, Biologie und Medizin verbreitet Anwendung. Als Beispiele sind die Blutzuckerbestimmung im Harn, die Konzentrationsüberwachung bei der Zuckerproduktion (Saccharimetrie) oder reaktionskinetische Messungen in der Chemie zu nennen. Auch viele Aminosäuren zeigen optische Aktivität und können polarimetrisch nachgewiesen werden. Die Polarisationsmikroskopie ist eine wichtige Methode zur Aufdeckung von Strukturen in transparenten Medien ohne Helligkeits- oder Farbunterschiede. Das in der Atmosphäre gestreute Sonnenlicht (Himmelsblau) ist teilweise polarisiert, am stärksten senkrecht zur Richtung der Sonnenstrahlen. Es wurde nachgewiesen, dass Bienen mit ihren Facettenaugen die Polarisation des Himmelslichtes erkennen und zur Orientierung verwenden. Der vorliegende Versuch soll eine kurze Einführung in die phänomenologischen Grundlagen der Polarisation geben und praktische Übung der polarimetrischen Konzentrationsbestimmung vermitteln.\\ | In Chemie und Kristallografie, Biowissenschaften und Medizin und in einer Vielzahl technischer Bereiche wird in Messtechnik und Anwendungen von den Eigenschaften und Erscheinungen [[http://de.wikipedia.org/wiki/Polarisiertes_Licht|polarisierten Lichtes]] Gebrauch gemacht. Polarimetrische Konzentrationsbestimmungen optisch aktiver Substanzen in Lösungen finden in Chemie, Biologie und Medizin verbreitet Anwendung. Als Beispiele sind die Blutzuckerbestimmung im Harn, die Konzentrationsüberwachung bei der Zuckerproduktion (Saccharimetrie) oder reaktionskinetische Messungen in der Chemie zu nennen. Auch viele Aminosäuren zeigen optische Aktivität und können polarimetrisch nachgewiesen werden. Die Polarisationsmikroskopie ist eine wichtige Methode zur Aufdeckung von Strukturen in transparenten Medien ohne Helligkeits- oder Farbunterschiede. Das in der Atmosphäre gestreute Sonnenlicht (Himmelsblau) ist teilweise polarisiert, am stärksten senkrecht zur Richtung der Sonnenstrahlen. Es wurde nachgewiesen, dass Bienen mit ihren Facettenaugen die Polarisation des Himmelslichtes erkennen und zur Orientierung verwenden. Der vorliegende Versuch soll eine kurze Einführung in die phänomenologischen Grundlagen der Polarisation geben und praktische Übung der polarimetrischen Konzentrationsbestimmung vermitteln.\\ |
| ===Aufgaben=== | ===Aufgaben=== |
| 1.(Spezifische Drehwinkel): Bestimmung der spezifischen Drehwinkel [α] von D(-)-Fructose, D(+)-Glucose und Saccharose.\\ | 1.(Spezifische Drehwinkel): Bestimmung der spezifischen Drehwinkel [α] von D(-)-Fructose, D(+)-Glucose und Saccharose.\\ |
| ===Physikalische Grundlagen=== | ===Physikalische Grundlagen=== |
| == Polarisation == | == Polarisation == |
| Man unterscheidet zwei Grundformen von Wellen: //longitudinale// und //transversale Wellen// (Längs- und Querwellen). Bei longitudinalen Wellen haben Auslenkung und Ausbreitung der Welle die gleiche Richtung (Abb. 1). Durch die Welle wird nur eine Raumrichtung, nämlich die Ausbreitungsrichtung, ausgezeichnet. Bei transversalen Wellen stehen Auslenkung und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander. Durch beide Richtungen wird eine Ebene ausgezeichnet, die als //Schwingungsebene// der Welle bezeichnet wird.\\ | Man unterscheidet zwei Grundformen von Wellen: //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle_(Physik)#Longitudinalwelle|longitudinale]]// und //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Welle_(Physik)#Transversalwelle|transversale Wellen]]// (Längs- und Querwellen). Bei longitudinalen Wellen haben Auslenkung und Ausbreitung der Welle die gleiche Richtung (Abb. 1). Durch die Welle wird nur eine Raumrichtung, nämlich die Ausbreitungsrichtung, ausgezeichnet. Bei transversalen Wellen stehen Auslenkung und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander. Durch beide Richtungen wird eine Ebene ausgezeichnet, die als //Schwingungsebene// der Welle bezeichnet wird.\\ |
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| Polarisation tritt nur bei Transversalwellen auf. Diese setzen sich im Allgemeinen aus einer Vielzahl von elementaren Wellenzügen zusammen, deren einzelne Schwingungsebenen zufällige Richtungen besitzen. Gibt es jedoch eine bevorzugte Schwingungsebene, so spricht man von einer polarisierten Welle. Die bevorzugte Ebene heißt //Polarisationsebene//, die bevorzugte Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Polarisationsrichtung. Bei der in Abb.1 skizzierten Transversalwelle ist die Polarisationsrichtung die Richtung nach oben und unten und die Polarisationsebene die Ebene des Papiers selbst.\\ | Polarisation tritt nur bei Transversalwellen auf. Diese setzen sich im Allgemeinen aus einer Vielzahl von elementaren Wellenzügen zusammen, deren einzelne Schwingungsebenen zufällige Richtungen besitzen. Gibt es jedoch eine bevorzugte Schwingungsebene, so spricht man von einer polarisierten Welle. Die bevorzugte Ebene heißt //Polarisationsebene//, die bevorzugte Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Polarisationsrichtung. Bei der in Abb.1 skizzierten Transversalwelle ist die Polarisationsrichtung die Richtung nach oben und unten und die Polarisationsebene die Ebene des Papiers selbst.\\ |
| Im allgemeinen Fall sind neben unterschiedlichen Phasenlagen auch die Amplituden verschieden, wodurch sich sowohl die Raumrichtung als auch die Größe des resultierenden E-Feldvektors periodisch ändern und man //elliptisch polarisierte// Wellen erhält. | Im allgemeinen Fall sind neben unterschiedlichen Phasenlagen auch die Amplituden verschieden, wodurch sich sowohl die Raumrichtung als auch die Größe des resultierenden E-Feldvektors periodisch ändern und man //elliptisch polarisierte// Wellen erhält. |
| == Anisotropie == | == Anisotropie == |
| Ein Medium heißt //isotrop//, wenn in ihm keine Raumrichtung in besonderer Weise ausgezeichnet ist. Anisotrope Stoffe dagegen besitzen, bedingt durch ihre Struktur, in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Eigenschaften, was bei optischen Erscheinungen z.B. zu //Doppelbrechung// und //Dichroismus// führt. | Ein Medium heißt //isotrop//, wenn in ihm keine Raumrichtung in besonderer Weise ausgezeichnet ist. Anisotrope Stoffe dagegen besitzen, bedingt durch ihre Struktur, in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Eigenschaften, was bei optischen Erscheinungen z.B. zu //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelbrechung|Doppelbrechung]]// und //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Dichroismus|Dichroismus]]// führt. |
| ==Doppelbrechung und Spannungsoptik== | ==Doppelbrechung und Spannungsoptik== |
| Bei anisotropen Kristallen kann die Lichtgeschwindigkeit, d.h. der Brechungsindex, von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisationsrichtung des Lichtes abhängig sein. Man spricht von //doppelbrechenden// Kristallen oder natürlicher Doppelbrechung (Beispiel Kalkspat). Das führt dazu, dass einfallende Lichtstrahlen an der Grenzfläche des Kristalls je nach Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen und so in zwei Teilbündel aufgespalten werden, die senkrecht zueinander linear polarisiert sind.\\ | Bei anisotropen Kristallen kann die Lichtgeschwindigkeit, d.h. der Brechungsindex, von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisationsrichtung des Lichtes abhängig sein. Man spricht von //doppelbrechenden// Kristallen oder natürlicher Doppelbrechung (Beispiel Kalkspat). Das führt dazu, dass einfallende Lichtstrahlen an der Grenzfläche des Kristalls je nach Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen und so in zwei Teilbündel aufgespalten werden, die senkrecht zueinander linear polarisiert sind.\\ |
| Diesen Effekt nutzt man zur Erzeugung polarisierten Lichtes beim //Nicolschen Prisma// aus. Die beiden Teilbündel werden an einer geeignet geneigten Grenzfläche im Prisma dadurch getrennt, dass das eine Bündel gerade noch (unter Brechung) die Fläche durchsetzt, während das andere auf Grund des flacheren Einfallswinkels durch Totalreflexion in eine andere Richtung abgelenkt wird (Abb.4).\\ | Diesen Effekt nutzt man zur Erzeugung polarisierten Lichtes beim //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Nicolsches_Prisma|Nicolschen Prisma]]// aus. Die beiden Teilbündel werden an einer geeignet geneigten Grenzfläche im Prisma dadurch getrennt, dass das eine Bündel gerade noch (unter Brechung) die Fläche durchsetzt, während das andere auf Grund des flacheren Einfallswinkels durch Totalreflexion in eine andere Richtung abgelenkt wird (Abb.4).\\ |
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| In Substanzen mit langen Molekülketten, wie z.B. Plastikmaterial, kann eine Anisotropie, und damit eine Doppelbrechung, durch mechanische Spannungen verursacht werden (Spannungsdoppelbrechung). Die dadurch hervorgerufenen Polarisationserscheinungen können zur Untersuchung von mechanischen Spannungszuständen herangezogen werden (Spannungsoptik).\\ | In Substanzen mit langen Molekülketten, wie z.B. Plastikmaterial, kann eine Anisotropie, und damit eine Doppelbrechung, durch mechanische Spannungen verursacht werden (Spannungsdoppelbrechung). Die dadurch hervorgerufenen Polarisationserscheinungen können zur Untersuchung von mechanischen Spannungszuständen herangezogen werden (Spannungsoptik).\\ |
| Ein optisch durchsichtiges Medium, das aber Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert, erscheint aus diesem Grund bei Betrachtung in weißem Licht farbig. Bei farbigen, optisch doppelbrechenden Kristallen ist die Lage des Absorptionsbereiches (Absorptionswellenlängen) von der Ausbreitungsrichtung im Kristall und der Schwingungsebene des Lichtes abhängig. Man bezeichnet dieses Verhalten als Dichroismus. Dichroitische Kristalle sind zur Erzeugung polarisierten Lichtes im Sichtbaren geeignet, wenn ihre Absorptionswellenlängen für die eine Polarisationsebene bevorzugt im sichtbaren und für die dazu senkrechte Polarisationsebene bevorzugt in den nicht sichtbaren Bereichen des optischen Spektrums liegen (ultraviolett, infrarot). Auf diesem Prinzip beruht die Wirkung von Polarisationsfolien (//Polaroidfilter//). Kleine, dichroitische Kristalle werden in eine Kunststoffolie eingebettet und durch mechanisches Re-cken in eine Vorzugsrichtung gebracht. Durch die Vorzugsrichtung erhält man eine gemeinsame Polarisations-ebene für das von den einzelnen Kristalliten erzeugte polarisierte Licht. | Ein optisch durchsichtiges Medium, das aber Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert, erscheint aus diesem Grund bei Betrachtung in weißem Licht farbig. Bei farbigen, optisch doppelbrechenden Kristallen ist die Lage des Absorptionsbereiches (Absorptionswellenlängen) von der Ausbreitungsrichtung im Kristall und der Schwingungsebene des Lichtes abhängig. Man bezeichnet dieses Verhalten als Dichroismus. Dichroitische Kristalle sind zur Erzeugung polarisierten Lichtes im Sichtbaren geeignet, wenn ihre Absorptionswellenlängen für die eine Polarisationsebene bevorzugt im sichtbaren und für die dazu senkrechte Polarisationsebene bevorzugt in den nicht sichtbaren Bereichen des optischen Spektrums liegen (ultraviolett, infrarot). Auf diesem Prinzip beruht die Wirkung von Polarisationsfolien (//Polaroidfilter//). Kleine, dichroitische Kristalle werden in eine Kunststoffolie eingebettet und durch mechanisches Re-cken in eine Vorzugsrichtung gebracht. Durch die Vorzugsrichtung erhält man eine gemeinsame Polarisations-ebene für das von den einzelnen Kristalliten erzeugte polarisierte Licht. |
| ==Optische Aktivität und Konzentrationsmessung== | ==Optische Aktivität und Konzentrationsmessung== |
| Bestimmte Substanzen sind in der Lage, die Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes zu drehen. Man bezeichnet dieses Verhalten als //optische Aktivität//. Bei der Kennzeichnung von Substanzen unterscheidet man zwischen dem Drehsinn und der Konfiguration des Moleküls. Der Drehsinn wird positiv (+) genannt, wenn er bei Beobachtung gegen die Richtung des Lichtes im Uhrzeigersinn (rechtsherum) erfolgt. Mit dem Vorsatz D und L werden die spiegelsymmetrischen, räumlichen Anordnungen der Moleküle bezeichnet.\\ | Bestimmte Substanzen sind in der Lage, die Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes zu drehen. Man bezeichnet dieses Verhalten als //[[http://de.wikipedia.org/wiki/Optisch_aktiv|optische Aktivität]]//. Bei der Kennzeichnung von Substanzen unterscheidet man zwischen dem Drehsinn und der Konfiguration des Moleküls. Der Drehsinn wird positiv (+) genannt, wenn er bei Beobachtung gegen die Richtung des Lichtes im Uhrzeigersinn (rechtsherum) erfolgt. Mit dem Vorsatz D und L werden die spiegelsymmetrischen, räumlichen Anordnungen der Moleküle bezeichnet.\\ |
| Die Drehung der Polarisationsebene kann durch zirkulare Doppelbrechung erklärt werden. Das linear polarisierte Licht wird in eine rechts- und eine linkslaufende zirkulare Komponente zerlegt, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider Komponenten eine Phasenverschiebung ergibt, die bei der (Rück-) Überlagerung der Komponenten zu einer Drehung der Polarisationsebene führt.\\ | Die Drehung der Polarisationsebene kann durch zirkulare Doppelbrechung erklärt werden. Das linear polarisierte Licht wird in eine rechts- und eine linkslaufende zirkulare Komponente zerlegt, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider Komponenten eine Phasenverschiebung ergibt, die bei der (Rück-) Überlagerung der Komponenten zu einer Drehung der Polarisationsebene führt.\\ |
| Optische Aktivität wird bei bestimmten Kristallen (z.B. Quarz) und Lösungen bestimmter Verbindungen beobachtet. Insbesondere sind alle Lösungen organischer Verbindungen optisch aktiv, die ein sogenanntes //asymmetrisches C-Atom// (mit * in Abb. 5 markiert) besitzen, d.h. an dessen vier Bindungsarmen vier unterschiedliche Liganden gebunden sind. In diesem Fall sind zwei verschiedene räumliche Anordnungen des Moleküls möglich, die spiegelsymmetrisch zueinander sind und sich nicht durch räumliche Transformationen zur Deckung bringen lassen. Man spricht von //Spiegelbildisomerie// und nennt die beiden Isomere Antipoden. Eine optisch aktive Verbindung ist die Milchsäure, welche als Endprodukt bei der anaeroben Verbrennung des Adenosintriphosphates (ATP) im Muskel entsteht und in erhöhter Konzentration Muskelkater hervorruft. Abb. 5 zeigt als Beispiel die Valenzstrichformel der Milchsäure.\\ | Optische Aktivität wird bei bestimmten Kristallen (z.B. Quarz) und Lösungen bestimmter Verbindungen beobachtet. Insbesondere sind alle Lösungen organischer Verbindungen optisch aktiv, die ein sogenanntes //asymmetrisches C-Atom// (mit * in Abb. 5 markiert) besitzen, d.h. an dessen vier Bindungsarmen vier unterschiedliche Liganden gebunden sind. In diesem Fall sind zwei verschiedene räumliche Anordnungen des Moleküls möglich, die spiegelsymmetrisch zueinander sind und sich nicht durch räumliche Transformationen zur Deckung bringen lassen. Man spricht von //Spiegelbildisomerie// und nennt die beiden Isomere Antipoden. Eine optisch aktive Verbindung ist die Milchsäure, welche als Endprodukt bei der anaeroben Verbrennung des Adenosintriphosphates (ATP) im Muskel entsteht und in erhöhter Konzentration Muskelkater hervorruft. Abb. 5 zeigt als Beispiel die Valenzstrichformel der Milchsäure.\\ |
