Polarimetrie - auf Matthias

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PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
Polarimetrie
durchgeführt am 05.07.2010
von Matthias Dräger, Alexander Narweleit und Fabian Pirzer
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1.1
Physikalische Grundlagen
Polarisation
Bei den Grundformen von Wellen unterscheidet man zwischen zwei Arten von Wellen, der Longitudinalwelle (auch Längswelle) und der Transversalwelle (auch Quer-, Schub- oder Scherwelle). Longitudinalwellen breiten sich in Richtung ihrer Auslenkung aus, d.h. Auslenkung und Ausbreitung haben
die gleiche Richtung (siehe Abb.1, rechts). Bei Transversalwellen stehen Auslenkung und Ausbreitung
senkrecht zueinander (siehe Abb.1, links), wodurch eine Ebene ausgezeichnet, die als Schwingungsebene bezeichnet wird.
Abbildung 1: Transversal- und Longitudinalwellen
Es können nur Transversalwellen polarisiert werden, wobei die Polarisation hierbei die Richtung ihrer
Schwingung beschreibt. Im Allgemeinen setzen sich diese aus einer Vielzahl von elementaren Wellenzügen zusammen. Die Welle ist polarisiert, wenn es eine bevorzugte Schwingungsebene gibt, die man
als Polarisationsebene bezeichnet. Die Schwingungsrichtung wird dann Polarisationsrichtung genannt.
Der Polarisationsgrad gibt an, wie hoch der Anteil von Wellenzügen mit gleicher Schwingunsebene zu
allen Wellenzügen ist. Bei Licht handelt es sich um eine elektromagnetische Transversalwelle, wobei
ein elektrische und magnetisches Feld die Schwingungsgrößen angeben. Die Richtung und Größes des
elektrischen Feldes ist hierbei die Schwingungsrichtung.
1.2
Lineare und zirkulare Polarisation
Linear polarisierte Wellen besitzen eine feststehende Polarisationsebene. Wenn sich zwei oder mehrere
elementare Wellenzüge mit verschiedenen Schwingungsebenen überlagern, so überlagern sich ihre Auslenkungen, die vektoriell addiert werden müssen. Wenn sich zwei zueinander senkrechte Wellenzüge
mit einer Phasenverschiebung von 0◦ oder 180◦ überlagern, dann entsteht eine linear polarisierte Welle
(Abb.2).
Abbildung 2: Vektoraddition von Wellenzügen zu linearer Polarisation
Sind zwei Wellen mit gleicher Amplitude um 90◦ gegeneinander verschoben, so kreist die Schwingungsrichtung bei gleichbleibender Größe des resultierenden elektrischen Feldes gleichförmig um die
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1.3
Anisotropie
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PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
Ausbreitungsrichtung. Es handelt sich um eine zirkular polarisierte Welle.
Abbildung 3: Vektoraddition von Wellenzügen zu zirkularer Polarisation
Sind Phasenlagen und Amplituden unterschiedlich, ändert sich periodisch die Raumrichtung und die
Größe des resultierenden elektrischen Feldvektors. Es handelt sich dann um elliptisch polarisierte
Wellen.
1.3
Anisotropie
Anisotrope Stoffe besitzen in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Eigenschaften, die bei
optischen Erscheinungen zu Doppelbrechung und Dichroismus führen.
1.4
Doppelbrechung und Spannungsoptik
Doppelbrechung findet bei anisotropen Kristallen statt, bei denen einfallende Lichtstrahlen an der
Grenzfläche des Kristalls je nach Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen und so in zwei
Teilbündel aufgespalten werden, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Dieses Phänomen nutzt
man bei einem Nicolschen Prisma, wo die Teilbündel getrennt werden, da das eine Bündel die Fläche
durchsetzt und das andere durch Totalreflexion abgelenkt wird.
Abbildung 4: Polarisation durch ein Nicolsches Prisma
Mechanische Spannungen können in Substanzen mit langen Molekülketten eine Doppelbrechung verursachen (Spannungsdoppelbrechung), die durch hervorrufen von Polarisationserscheinungen zur Untersuchung von Spannungszuständen herangezogen wird.
1.5
Dichroismus
Dichroismus bezeichnet die Abhängigkeit des Lichtabsorbtionsbereiches bestimmter Stoffe von der
Polarisation einer elektromagnetischen Welle. Bei farbigen, optisch doppelbrechenden Kristallen ist
dies von der Ausbreitungsrichtung im Kristall und der Schwingungsebene des Lichtes abhängig. Dichroitische Kristalle können verwendet werden, um sichtbares polarisiertes Licht zu erzeugen. Das
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1.6
Optische Aktivität und Konzentrationsmessung
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AUFGABEN
Prinzip des Dichroismus wird auch bei sogenannten Polaroidfilter (Polarisationsfilter) genutzt, bei
denen komplementär polarisiertes Licht absorbiert wird.
1.6
Optische Aktivität und Konzentrationsmessung
Unter optische Aktivität versteht man die Drehung der Schwingungsebene von linear polarisiertem
Licht durch bestimmte Substanzen (z.B. Quarz). Dabei gibt der Drehsinn an, in welche Richtung sich
die Polarisationsebene von polarisiertem Licht dreht, wobei die Bezugsrichtung die Blickrichtung entgegen der Bewegungsrichtung des Lichtes ist. Ein weiterer Punkt ist die Konfiguration der Substanz,
die mit dem Vorsatz D und L bezeichnet wird, wenn die räumliche Anordnung der Moleküle spiegelsymmetrisch ist. Die Drehung der Polarisationsebene erfolgt durch Doppelbrechung, da sich aufgrund
der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Komponenten eine Phasenverschiebung ergibt.
Optisch aktiv sind vor allem alle organischen Verbindungen, die ein sogenanntes asymmetrisches
Kohlenstoff-Atom besitzen, d.h. an jedem Bindungsarm befindet sich ein anderes Molekül (Abb.5). Bei
solchen Molekülen gibt es unterschiedliche räumliche Anordnungen, die spiegelsymmetrisch zueinander
sind (Spiegelbildisomerie). Diese Isomere werden Antipoden genannt. Ein Gemisch beider Antipoden,
das keine optische Aktivität zeigt, wird Razemat genannt.
Abbildung 5: Milchsäuremolekül
Beispiele für optisch aktive Verbindungen ist das Milchsäuremolekül (Abb.5), Zucker, einige Verbindungen des Zitronensäurezyklus und viele Enzyme.
1.7
Polarisationsmikroskopie
Polarisationsmikroskopie behandelt die Untersuchung der Strukturen von optisch anisotroper Objekte. Diese lassen sich unter Beleuchtung mit linear polarisiertem Licht analysieren, da sich deutliche
Intensitäts- und Farbkontraste ergeben.
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Aufgaben
1. (Spezifische Drehwinkel): Bestimmung der spezifischen Drehwinkel [α] von D(-)-Fructose, D(+)Glucose und Saccharose.
2. (Mischprobe): Quantitative Analyse eines Zuckergemisches.
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