- בָּסִיס
- סוגי קוטב
- מדריכים
- אוטומטי ודיגיטלי
- מבצע וחלקים
- לורן פולארימטר
- חוק ביוט
- יתרונות וחסרונות
- היתרונות והחסרונות של הקוטב הידני
- יתרונות וחסרונות של קוטבי מטר אוטומטיים ודיגיטליים
- יישומים
Polarimetry מודד את הסיבוב של שעוברת קרן אור מקוטב כאשר זה עובר חומר פעיל אופטית אשר עשוי להיות כוס (לדוגמה טורמלין) או תמיסת סוכר.
זוהי טכניקה פשוטה, השייכת לשיטות הניתוח האופטיות ועם יישומים רבים, במיוחד בתעשייה הכימית והחקלאית לקביעת ריכוז הפתרונות הסוכרים.
איור 1. קוטר-מטר דיגיטלי אוטומטי. מקור: Wikimedia Commons. A.KRÜSS Optronic GmbH, http://www.kruess.com/labor/produkte/polarimeter
בָּסִיס
היסוד הפיזי של טכניקה זו שוכן בתכונות האור כגל אלקטרומגנטי, המורכב משדה חשמלי ושדה מגנטי הנע בכיוונים בניצב.
גלים אלקטרומגנטיים הם רוחביים, מה שאומר ששדות אלה, בתורם, מתפשטים בכיוון הניצב אליהם, על פי איור 2.
עם זאת, מכיוון שהשדה מורכב ממספר רכבות גלים המגיעות מכל אטום, וכל אחת מתנודדת לכיוונים שונים, אור טבעי או שמגיע מנורת ליבון אינו מקוטב.
לעומת זאת, כאשר תנודות השדה מתרחשות בכיוון מועדף, אומרים שהאור מקוטב. ניתן להשיג זאת על ידי מתן קרן האור לעבור דרך חומרים מסוימים המסוגלים לחסום רכיבים לא רצויים ולאפשר רק אחד בפרט לעבור דרכם.
איור 2. אנימציה של שדה אלקטרומגנטי המתפשט לאורך ציר ה- x. מקור: Wikimedia Commons. And1mu.
אם בנוסף גל האור מורכב מאורך גל יחיד, יש לנו קרן מונוכרומטית מקוטבת ליניארית.
חומרים המשמשים כמסננים כדי להשיג זאת נקראים מקטבים או אנליזרים. ויש חומרים המגיבים לאור מקוטב, המסובבים את מישור הקיטוב. הם ידועים כחומרים פעילים באופן אופטי, למשל סוכרים.
סוגי קוטב
באופן כללי, קוטבי מטר יכולים להיות: ידניים, אוטומטיים וחצי אוטומטיים ודיגיטליים.
מדריכים
הפולימטרים הידניים משמשים במעבדות הוראה ובמעבדות קטנות, ואילו עדיפות אוטומטיות כאשר יש צורך במספר רב של מדידות מכיוון שהם ממזערים את משך הזמן המוקדש למדידה.
אוטומטי ודיגיטלי
הדגמים האוטומטיים והדיגיטליים מגיעים עם גלאי הפוטואלקטרי, חיישן הפולט תגובה לשינוי האור ומגדיל מאוד את הדיוק של המדידות. יש גם כאלה שמציעים קריאה על גבי מסך דיגיטלי, שהם קלים מאוד לתפעול.
כדי להמחיש את הפעולה הכללית של קוטב-מטר, סוג אופטי ידני מתואר להלן.
מבצע וחלקים
קוטב מטר בסיסי עושה שימוש בשתי מנסרות של ניקול או יריעות פולארויד, שביניהן נמצא החומר הפעיל האופטי שיש לנתח.
ויליאם ניקול (1768-1851) היה פיזיקאי סקוטי שהקדיש חלק ניכר מהקריירה שלו למכשירים. באמצעות קריסטל קלציט או ספאר איסלנד, מינרל המסוגל לפצל קרן אור מקרית, יצר ניקול בשנת 1828 פריזמה שבה ניתן היה להשיג אור מקוטב. זה היה בשימוש נרחב בבניית קוטב-מטר.
איור 4. גביש קלציט מבריק. מקור: Wikimedia Commons. APN MJM.
החלקים העיקריים של קוטב מטר הם:
מקור האור. בדרך כלל מנורת אדי נתרן, טונגסטן או כספית, שאורך הגל שלה ידוע.
- מקטבים. דגמים ישנים השתמשו במנסרות ניקול, ואילו מודרניים יותר משתמשים בדרך כלל ביריעות פולארויד, עשויות ממולקולות פחמימניות ארוכות שרשרת עם אטומי יוד.
- בעל מדגם. היכן ממוקם החומר שיש לנתח, שאורכו משתנה, אך ידוע בדיוק.
- עינית ומחוונים המסופקים עם קשקשי ורנייה. עבור המתבונן למדוד במדויק את כוח הסיבוב של המדגם. לדגמים אוטומטיים יש חיישנים פוטואלקטריים.
- בנוסף, מחווני טמפרטורה ואורך גל. מכיוון שעוצמת הסיבוב של חומרים רבים תלויה בפרמטרים אלה.
איור 5. תרשים של קוטב מטר ידני. מקור: צ'אנג, ר. כימיה.
לורן פולארימטר
בפרוצדורה המתוארת ישנו חיסרון קטן כאשר המתבונן מכוון את מינימום האור, מכיוון שהעין האנושית אינה מסוגלת לאתר וריאציות קטנות מאוד באור הזוהר.
כדי לתקן בעיה זו, קוטב המוליך של לורן מוסיף חצי יריעה מעכבת באורך גל, העשויה מחומר מוליך.
בדרך זו יש לצופה שניים או שלושה אזורים סמוכים בעלי תאורה שונה, הנקראים שדות, בצופה. זה מקל על העין להבחין ברמות האור.
יש לך את המדידה המדויקת ביותר כאשר המנתח מופעל בצורה כזו שכל השדות עמומים באותה מידה.
איור 6. קריאה ידנית של הקוטב. מקור: פ. זפטה.
חוק ביוט
החוק של ביוט מתייחס לכוחו הסיבוב α של חומר פעיל אופטי, הנמדד בדרגות מין, עם הריכוז c של החומר האמור - כאשר זהו פיתרון - והגיאומטריה של המערכת האופטית.
זו הסיבה שהדגש הושם בתיאור הקוטב, שיש לדעת ידוע על ערכי אורך הגל של האור ושל מחזיק הדגימה.
קבוע המידתיות מצוין ומכונה כוח הסיבוב הספציפי של הפיתרון. זה תלוי באורך הגל λ של האור שקורה ובטמפרטורה T של המדגם. הערכים של בדרך כלל מוצבים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס לאור נתרן, במיוחד שאורך הגל שלהם הוא 589.3 ננומטר.
בהתאם לסוג המתחם שיש לנתח, החוק של ביוט לובש צורות שונות:
- מוצקים פעילים באופן אופטי: α = .ℓ
- נוזלים טהורים: α =. ℓ.ρ
- פתרונות עם מומסים בעלי פעילות אופטית: α =. ℓ.c
- דוגמאות עם מספר רכיבים פעילים אופטית: ∑α i
עם הכמויות הנוספות הבאות והיחידות שלהם:
- אורך בעל הדגימה: ℓ (במ"מ למוצקים ו- dm לנוזלים)
- צפיפות נוזלים: ρ (ב- g / ml)
- ריכוז: ג (ב גרם / מ"ל או מולאריות)
יתרונות וחסרונות
קוטבי מטר הם מכשירי מעבדה שימושיים מאוד בתחומים שונים ולכל סוג קוטב-מטר יש יתרונות בהתאם לשימוש המיועד.
יתרון גדול של הטכניקה עצמה הוא שמדובר בבדיקה לא הרסנית, המתאימה בעת ניתוח דגימות יקרות, יקרות ערך, או שלא ניתן לשכפל משום מה. עם זאת, קוטב הפטריות אינו תקף לחומר כלשהו, רק לאלו שיש להם פעילות אופטית או חומרים כיראליים, כידוע.
כמו כן, יש לקחת בחשבון כי הימצאותם של זיהומים מביאה טעויות בתוצאות.
זווית הסיבוב המיוצרת על ידי החומר המנותח תואמת את מאפייניה: סוג המולקולה, ריכוז הפיתרון ואפילו הממס המשמש. כדי להשיג את כל הנתונים הללו, יש לדעת בדיוק את אורך הגל של האור המשמש, את הטמפרטורה ואת אורך מיכל בעל הדגימה.
הדיוק איתו ברצונכם לנתח את הדגימה הוא מכריע בבחירת ציוד מתאים. וגם העלות שלה.
היתרונות והחסרונות של הקוטב הידני
- הם נוטים להיות זולים יותר, למרות שיש גם גרסאות דיגיטליות בעלות נמוכה. לגבי זה יש המון הצעה.
- הם מתאימים לשימוש במעבדות הוראה וככשרה, מכיוון שהם עוזרים למפעיל להכיר את ההיבטים התיאורטיים והמעשיים של הטכניקה.
- הם כמעט תמיד תחזוקה נמוכה.
- הם עמידים ועמידים.
- קריאת המדידה היא מעט יותר עמלנית, במיוחד אם לחומר שיש לנתח יש כוח סיבוב נמוך, לכן המפעיל הוא בדרך כלל כוח אדם מיוחד.
יתרונות וחסרונות של קוטבי מטר אוטומטיים ודיגיטליים
- קל לטפל בהם ולקרוא, הם אינם זקוקים לאנשי צוות מיוחדים לצורך פעולתם.
- הקוטב הדיגיטלי יכול לייצא את הנתונים למדפסת או למכשיר האחסון.
- קוטבי מטר אוטומטיים דורשים פחות זמן מדידה (בסביבות שנייה).
- יש להם אפשרויות למדוד לפי פרקי זמן.
- הגלאי הפוטואלקטרי מאפשר לנתח חומרים בעלי כוח סיבוב נמוך.
- בקרה יעילה על הטמפרטורה, הפרמטר המשפיע ביותר על המדידה.
- דגמים מסוימים הם יקרים.
- הם דורשים תחזוקה.
יישומים
ל- Polarimetry יש מספר רב של יישומים, כאמור בהתחלה. האזורים מגוונים והתרכובות שיש לנתח יכולות להיות אורגניות ואורגניות גם כן. אלה כמה מהם:
- בבקרת איכות התרופות, עוזר לקבוע כי לחומרים המשמשים לייצור תרופות יש את הריכוז והטהרה המתאימים.
- לבקרת איכות של ענף המזון, ניתוח טוהר הסוכר, כמו גם תוכנו במשקאות ומתוקים. מטר קוטבי שמשמשים בדרך זו נקראים גם סכרימטים ומשתמשים בסולם מסוים, שונה מזה שמשמש ביישומים אחרים: סולם ºZ.
איור 7. בקרת האיכות של תכולת הסוכר ביינות ומיצי פרי מתבצעת על ידי polarimetry. מקור: Pixabay.
- גם בטכנולוגיית המזון משתמשים בו כדי למצוא את תוכן העמילן של מדגם.
- באסטרופיסיקה משתמשים בקוטביות לניתוח קיטוב האור בכוכבים וללימוד השדות המגנטיים הקיימים בסביבות אסטרונומיות ותפקידם בדינמיקה הכוכבית.
- פולרימטריה שימושית באיתור מחלות עיניים.
- במכשירי חישה לווייניים מרחוק לתצפית על אוניות בים הגבוה, אזורי זיהום באמצע האוקיאנוס או ביבשה, הודות לצילום תמונות עם ניגודיות גבוהה.
- התעשייה הכימית משתמשת בפוליממטריה כדי להבחין בין איזומרים אופטיים. לחומרים אלה יש תכונות כימיות זהות, מכיוון שלמולקולות שלהם יש אותו מבנה ומבנה זהה, אך האחד הוא תמונת ראי של האחר.
איזומרים אופטי נבדלים זה מזה באופן הקיטוב של האור (אננטיומרים): איזומר אחד עושה זאת משמאל (שמאלי) והשני לימין (ימני), תמיד מבחינת הצופה.
- AGS אנליטית. למי מיועד קוטב? התאושש מ: agsanalitica.com.
- צ'אנג, ר. כימיה. 2013. מהדורה אחת-עשרה. מקגרו היל.
- גבירה, ג '. פולארימטריה. התאושש מ: triplenlace.com.
- מכשירים מדעיים. קוטבי מטר. התאושש מ: uv.es.
- האוניברסיטה הפוליטכנית של ולנסיה. יישום של קוטביות
לקביעת טוהר הסוכר. התאושש מ: riunet.upv.es.