Polarimeter

'n Polarimeter is 'n instrument wat die polarisasietoestand van straling bepaal.

Geskiedenis
Polarisasie deur refleksie is reeds in 1808 deur Étienne-Louis Malus (1775–1812) ontdek.

Gebruike
Polarimeters is belangrike intrumente in die organiese chemie, maar dit is nie die enigste wetenskap waar polarimeters gebruik word nie. Die astronomie gebruik instrumente wat op dieselfde beginsels berus, maar hulle is aan teleskope gekoppel.

Op 'n sekere vlak is alle bronne van straling, hetsy in die laboratorium of in die lug, gepolariseer; inderdaad, 'n heeltemal ongepolariseerde bron is waarskynlik onbereikbaar. Die polarisasie word op verskeie maniere geproduseer, insluitend direk vanaf sommige stralingsprosesse (bv. siklotron- en sinkrotron-emissie), uit differensiële absorpsie van straling wat deur die interstellêre medium gaan, en miskien mees algemeen deur die verstrooiing van straling.  In die chemie is 'n polarimeter veral 'n wetenskaplike instrument wat gebruik word om optiese rotasie te meet. Dis die rotasiehoek wat veroorsaak word wanneer lineêr gepolariseerde lig deur 'n opties aktiewe stof gaan.

Organiese chemie
upright=1.5|duimnael|Bedryfsbeginsel van 'n optiese polarimeter. 
1. Ligbron
2. Ongepolariseerde lig
3. Lineêre polarisator
4. Lineêr gepolariseerde lig
5. Monsterbuis met chirale molekules 
6. Optiese rotasie as gevolg van die molekules
7. Draaibare lineêre ontleder
8. Detektor

Sommige chemiese stowwe is opties aktief, en die polarisasievlak van lineêr gepolariseerde lig sal óf na links (teenkloksgewys) óf regs (kloksgewys) draai wanneer dit deur hierdie stowwe beweeg. Die mate waarmee die lig geroteer word, staan bekend as die rotasiehoek. Uit die rigting (kloksgewys of antikloksgewys) en die grootte van die rotasie word inligting oor die monster se chirale eienskappe verkry, soos die relatiewe konsentrasie van enantiomere wat in die monster teenwoordig is.

Meetbeginsel
duimnael|Voorbeeld van chirale enantiomere van 'n organiese molekule
Die verhouding, die suiwerheid en die konsentrasie van twee enantiomere kan deur polarimetrie gemeet word.   Ligbronne soos 'n gloeilamp of die son straal elektromagnetiese golwe uit teen die frekwensie van sigbare lig. Hul elektriese veld ossilleer in alle moontlike vlakke relatief tot hul voortplantingsrigting. In teenstelling daarmee, ossilleer die golwe van lineêr-gepolariseerde lig in een vlak.Hart, C. (2002), Organische Chemie, Wiley-VCH,  As lig 'n polarisator teëkom, mag slegs dié deel van die lig wat in die gedefinieerde vlak van die polarisator ossilleer deurgaan. Daardie vlak word die vlak van polarisasie genoem. Die vlak van polarisasie word deur opties aktiewe verbindings gedraai. Volgens die rigting waarin die lig geroteer word, word daar na die stof verwys as dekstro-roterend of levo-roterend.

Die optiese aktiwiteit van stowwe is additief. Dit is hoekom rasemate, wat gelyke hoeveelhede van twee stowwe bevat wat enenatiomere van mekaar is, opties onaktief is, aangesien hul kloksgewys en anti-kloksgewys optiese aktiwiteite kanselleer. Die optiese rotasie is eweredig aan die konsentrasie van die opties aktiewe stowwe in oplossing. Polarimeters kan dus toegepas word vir konsentrasiemetings van monsters van suiwer  enantiomere. Met 'n bekende konsentrasie van 'n monster kan polarimeters ook toegepas word om die spesifieke rotasie te bepaal wanneer 'n nuwe stof gekarakteriseer word.
duimnael|Draaiing van die polarisasievlak in 'n eenassige kristal
Die spesifieke rotasie  is 'n fisiese eienskap van die stof. Dit is gedefinieer as die optiese rotasie α by 'n padlengte l van 1 dm, 'n konsentrasie c van 10 g/L, 'n temperatuur T (gewoonlik 20 °C) en 'n golflengte λ (gewoonlik die natrium D-lyn by 589.3 nm):

Dit vertel ons hoeveel die polarisasievlak geroteer word wanneer die ligstraal deur 'n spesifieke hoeveelheid opties aktiewe molekules van 'n monster gaan. Daarom hang die optiese rotasie af van temperatuur, konsentrasie, golflengte, padlengte en die stof wat ontleed word.

Molekules is opties aktief indien hulle 'n bepaalde simmetrie besit. Hulle het geen spieëlvlak nie. Oplossings van opties aktiewe molekules is nie die enigste stowwe wat die polarisasievlak kan draai nie. Hierdie verskynsel kan ook optree indien lig deur 'n kristal met 'n eenassige simmetrie (tetragonaal, heksagonaal of trigonaal, soos in die geval van kwarts) gevoer word. Van hierdie eienskap word in die konstruksie van polarimeters gebruik gemaak.

Konstruksie
duimnael|Die beginsel van polarisasie
Die polarimeter bestaan uit twee Nicol-prismas (die polarisator en ontleder). Die polarisator het 'n vas posisie en die ontleder kan gedraai word. Die prismas kan beskou word as twee splete. Die eerste polarisator S1 laat slegs daardie liggolwe toe wat in 'n enkele vlak beweeg. Dit veroorsaak dat die lig vlak gepolariseer word. Wanneer die ontleder S2 ook in die regte posisie geplaas word, laat dit die liggolwe wat van die polarisator af kom deur. As dit 90° gedraai is, bly die veld donker. As nou 'n glasbuis wat 'n opties aktiewe oplossing bevat, tussen die polarisator en ontleder geplaas word, draai die lig se polarisasievlak met 'n sekere hoek, sal die ontleder met dieselfde hoek gedraai moet word.

Soorte polarimeter

Laurent se halfskadu-polarimeter
Wanneer vlak-gepolariseerde lig deur sommige kristalle gaan, is die snelheid van links-gepolariseerde lig anders as dié van die regs-gepolariseerde lig, dus word gesê dat die kristalle twee brekingsindekse het. Dit word dubbelbreking genoem. Kalsiet en kwarts is goeie voorbeelde van 'n minerale wat dubbelbrekend is.
duimnael|Laurent se halfskadu-polarimeter|450px
Konstruksie: Die polarimeter bestaan uit 'n monochromatiese bron S wat in die brandpunt van 'n konvekse lens L geplaas is. Net ná die konvekse lens is daar 'n Nicol Prisma P wat as polarisator optree. H is 'n halfskadu-toestel wat die veld van die gepolariseerde lig wat uit die Nicol P kom, in twee helftes verdeel, gewoonlik van ongelyke helderheid. T is 'n glasbuis wat met 'n opties aktiewe oplossing gevul is. Die lig, nadat dit deur T gegaan het, word toegelaat om op die ontledende Nicol Prisma A te val wat om die as van die buis gedraai kan word. Die rotasie van die ontleder kan met behulp van 'n skaal C gemeet word.

Werksbeginsel: Kom ons veronderstel dat die halfskadu-toestel nie teenwoordig is nie, om sy nut te verstaan. Die posisie van die ontleder word so aangepas dat die gesigsveld donker is wanneer die buis leeg is. Die posisie van die ontleder word op die sirkelskaal aangeteken. Nou word die buis gevul met die opties aktiewe oplossing en dit word in sy regte posisie gestel. Die opties aktiewe oplossing roteer die polarisasievlak van die lig wat uit die polarisator P kom met 'n sekere hoek, sodat die lig deur analiseerder A oorgedra word en die gesigsveld van die teleskoop word helder. Nou word die ontleder met 'n eindige hoek gedraai sodat die gesigsveld van die teleskoop weer donker word. Dit sal slegs gebeur wanneer die ontleder geroteer word met dieselfde hoek waarmee die polarisasievlak van lig deur die opties aktiewe oplossing geroteer word.

Die posisie van die ontleder word weer opgemerk. Die verskil van die twee lesings sal die rotasiehoek van die polarisasievlak gee.

'n Moeilikheid waarmee die bogenoemde prosedure te kampe het, is dat wanneer die ontleder vir die totale duisternis geroteer word, dit geleidelik bereik word en dus is dit moeilik om die presiese posisie korrek te vind waarvoor volledige duisternis verkry word. Dit maak die meting onnoukeurig. Om bogenoemde moeilikheid te oorkom, word die halfskadu-toestel tussen polarisator P en die glasbuis T ingebring.

duimnael

Halfskadu toestel: Dit bestaan uit twee halfsirkelvormige plate ACB en ADB. Die een helfte van ACB is van glas gemaak terwyl die ander helfte van kwarts gemaak is. Albei helftes is saamgesement. Die kwarts word parallel met die optiese as gesny. Dikte van die kwarts word so gekies dat dit 'n padverskil van die helfte van die lig se golflengte λ tussen gewone en buitengewone straal veroorsaak. Die dikte van die glas word so gekies dat dit dieselfde hoeveelheid lig absorbeer as wat deur die kwartshelfte geabsorbeer word.

Neem in ag dat die vibrasie van polarisasie langs OP is. As die lig deur die glas gaan, bly die helfte van die vibrasies langs OP. Maar as die golwe deur die kwartshelfte gaan, sal hierdie vibrasies in 0- en £-komponente verdeel word. Die £-komponente is parallel aan die optiese-as terwyl O-komponent loodreg op optiese-as is. Die O-komponent beweeg vinniger in kwarts en dus sal 'n uittredende 0-komponent langs OD wees in plaas van langs OC. Dus sal komponente OA en OD kombineer om 'n resulterende vibrasie langs OQ te vorm wat dieselfde hoek met optiese as maak as OP. Nou as die hoofvlak van die analiseerde Nicol parallel aan OP is, sal die lig half onbelemmerd deur die glas gaan. Daarom sal die glashelfte helderder as die kwartshelfte wees of ons kan sê dat die glashelfte helder sal wees en die kwartshelfte donker sal wees. Net so, as die hoofvlak van die ontledende Nicol parallel aan OQ is, sal die kwartshelfte helder wees en die glashelfte donker.

Wanneer die hoofvlak van die ontleder langs AOB is, sal albei helftes ewe helder wees. Aan die ander kant, as die hoofvlak van die ontleder langs DOC is, sal beide die helftes ewe donker wees.

Dit is dus duidelik dat as die ontledende Nicol effens versteur word van DOC, dan word die een helfte helderder as die ander. Deur dus die halfskadu-toestel te gebruik, kan 'n mens die rotasiehoek presieser meet.

Bepaling van spesifieke rotasie: Om 'n spesifieke rotasie van 'n opties-aktiewe stof (bv. suiker) te bepaal, word die polarimeterbuis eers met suiwer water gevul en die ontleder word so verstel dat albei die helftes ewe donker is. Die posisie van die ontleder word met behulp van die skaal aangeteken. Nou word die polarimeterbuis gevul met 'n suikeroplossing van bekende konsentrasie en weer word die ontleder so verstel dat weer die ewe donker punt bereik word. Die posisie van die ontleder word weer opgemerk. Die verskil van die twee lesings sal die rotasiehoek θ gee. Gevolglik word 'n spesifieke rotasie S bepaal as S = θ/LC, waar L die optiese padlengte is en C die konsentrasie van die stof is.

Tweekwarts-polarimeter
'n  Tweekwarts-polarimeter  gebruik 'n  tweekwartsplaat , wat bestaan uit twee halfsirkelvormige plate van kwarts, elk met 'n dikte van 3,75 mm. Die een helfte bestaan uit regshandige opties aktiewe kwarts, terwyl die ander linkshandige opties aktiewe kwarts is.

Handpolarimeters
Die vroegste polarimeters, wat terugdateer na die 1830's, het vereis dat die gebruiker een polariserende element (die ontleder) fisies roteer terwyl hy deur 'n ander statiese element (die detektor) kyk. Die detektor is aan die teenoorgestelde kant van 'n buis geplaas wat die opties aktiewe monster bevat, en die gebruiker het sy/haar oog gebruik om die "belyning" te beoordeel wanneer die minste lig waargeneem is. Die rotasiehoek is dan gelees van 'n eenvoudige vaste aan die bewegende polarisator tot binne 'n graad of wat.

Alhoewel die meeste handpolarimeters wat vandag vervaardig word, steeds hierdie basiese beginsel aanvaar, het die vele ontwikkelings wat oor die jare op die oorspronklike opto-meganiese ontwerp toegepas is, die meetprestasie aansienlik verbeter. Die invoering van halfskadu of tweekwartsplate het die noukeurigheid verhoog, terwyl 'n presisie glasskaal met vernier drom die finale lesing tot binne ca. ±0.05º moontlik maak. Die meeste moderne handpolarimeters bevat ook 'n geel LED in die plek van die duurder natriumbooglamp as 'n ligbron.

Semi-outomaties
Vandag is semi-outomatiese polarimeters beskikbaar. Die gebruiker bekyk die beeld via 'n digitale skerm, verstel die analiseerderhoek met elektroniese kontroles.

Volledig outomaties

duimnael|Moderne outomatiese polarimeter met raakskerm en kamerabeeld van gevulde monstersel.

Voloutomatiese polarimeters word nou wyd gebruik en vereis eenvoudig dat die gebruiker 'n knoppie moet druk
en wag vir 'n digitale uitlees. Vinnige outomatiese digitale polarimeters lewer 'n presiese resultaat binne 'n paar sekondes, ongeag die rotasiehoek van die monster. Daarbenewens verskaf hulle deurlopende metings, wat HPLC en ander kinetiese ondersoeke moontlik maak.

Aangesien die temperatuur van die monster 'n beduidende invloed op die optiese rotasie van die oplossing het, het moderne polarimeters reeds Peltier-elemente ingesluit om die temperatuur aktief te beheer. Spesiale tegnieke soos temperatuurbeheerde monsterbuise verminder meetfoute en vergemaklik die werking. Resultate kan direk na rekenaars of netwerke oorgedra word vir outomatiese verwerking. Tradisioneel moes akkurate vulling van die monstersel buite die instrument gekontroleer word, aangesien 'n toepaslike beheer van binne die toestel nie moontlik was nie. Deesdae kan 'n kamerastelsel help om die monster en akkurate vultoestande in die monstersel te monitor. Verder is funksies vir outomatiese vulling op die mark beskikbaar. Wanneer daar met bytende chemikalieë, sure en basisse gewerk word, kan dit voordelig wees om nie die polarimetersel met die hand te laai nie. Albei hierdie opsies help om potensiële foute wat deur borrels of deeltjies veroorsaak word, te vermy.

Sterrekunde
Fraksionele polarisasies van belang vir sterrekundiges wissel van tiendes tot, baie minder gereeld, enige dele per miljoen. Interessant genoeg was een van die gevoeligste polarisasiemetings wat nog ooit gemaak is die meting deur James Kemp in 1987, wat getoon het dat die fraksionele lineêre polarisasie van die geïntegreerde lig van die Son minder as 2 × 10 was. Hoë-presisie polarimetrie is baie makliker as fotometrie, ten minste van grondgebaseerde teleskope. Een van die redes is dat die Aarde se atmosfeer nie die polarisasietoestand van invallende straling beïnvloed nie, 

Instrumente
Alle astronomiese polarimeters volg dieselfde basiese beginsel, met 'n polarisasiemodulator gevolg deur 'n ontleder, wat enige gepolariseerde komponent omskakel in 'n ligintensiteit wat deur die detektor gemeet word. Die hoeveelheid polarisasie is in wese die verskil in ligintensiteit by twee voorafbepaalde toestande van die modulator, gedeel deur die totale intensiteit. As die lig ongepolariseerd is, sien die detektor 'n konstante intensiteit, ongeag die toestand van die modulator. 

Daar is verskeie modulators soos foto-elastiese modulators, Pockels-selle en vloeibare kristalle, wat gemoduleer kan word deur die aanwending van 'n spanning, en kristalgolfplate wat meganies geroteer word. Ontleders is gewoonlik in die vorm van dubbelstraal-polariserende prismas, soos Wollaston-prismas, wat lei tot groter noukeurigheid in die meting van polarisasie  'n Voordeel is dat polarimetrie 'n differensiële meting is. Die kalibrasie van 'n polarimeter vereis dus nie, soos die geval is vir fotometrie, die daarstelling van 'n stel astronomiese standaarde nie.

Verwysings

Kategorie:Organiese chemie
Kategorie:Sterrekundige instrumente