پلاریمتر یا قطبش سنج چیست؟
پلاریمتر یا قطبش سنج، ابزاری است که برای اندازه گیری چرخش نور قطبیده هنگام عبور از یک ماده فعال نوری استفاده می شود. پلاریمتر ها انواع مختلفی دارند.
پلاریمتر یا قطبش سنج، یک ابزار علمی آزمایشگاهی است که برای اندازه گیری زاویه چرخش نور قطبیده در حین عبور از یک ماده فعال نوری استفاده می شود.
پلاریمتر های اندازه گیری نمونه در برهمکنش نور-ماده استفاده می شوند که در آن یک پرتو فرودی می تواند از نمونه عبور، منعکس، پراشیده یا پراکنده شود.
پلاریمتر (قطبش سنج) برای تعیین رابطه بین حالت های پلاریزاسیون پرتوهای فرودی و خروجی یک سیستم به کار می روند.
پلاریمتر ها معمولاً از یک مولد پلاریزاسیون متشکل از تمام عناصر مورد نیاز برای تولید پرتوی با حالت قطبش مشخص و یک تحلیلگر پلاریزاسیون برای ایجاد قطبیدگی خاص در پرتو نور خروجی تشکیل شده اند.
در این مقاله با ما همراه باشید تا در مورد اصول عملکردی، ساختمان و کاربردهای انواع پلاریمتر بیشتر آشنا شویم.
قطبش نوری چیست؟
پیش از آشنایی با ساختمان و عملکرد یک پلاریمتر، بهتر است که اطلاعاتی در مورد اصول فیزیکی قطبش اپتیکی داشته باشیم.
قطبش نوری به جهت گیری ارتعاشات یک موج الکترومغناطیسی اشاره دارد. هنگامی که ارتعاشات بیشتر در یک جهت باشد، اصطلاحاً گفته می شود که نور قطبی شده است.
در مورد امواج عرضی، که جهت نوسان بر جهت حرکت موج عمود است، قطبش یا پلاریزاسیون جهت هندسی نوسانات را مشخص می کند.
در امواج طولی (مانند امواج صوتی حاصل از مایعات یا گازها)، جابجایی ذرات در طول نوسان همیشه در جهت انتشار است و این امواج قطبی شدگی را نشان نمی دهند.
یک موج الکترومغناطیسی (مانند نور) از میدان های الکتریکی نوسانی و میدان مغناطیسی تشکیل شده است که همواره بر یکدیگر عمود هستند. طبق قرارداد، "قطبی شدگی" امواج الکترومغناطیسی به جهت میدان الکتریکی اشاره دارد.
انواع قطبش امواج عرضی
قطبش خطی
در قطبش خطی، میدان ها در یک جهت واحد نوسان می کنند.
قطبش دایره ای و بیضوی
در قطبش دایره ای یا بیضوی، میدان ها با سرعت ثابتی در یک صفحه در جهت حرکت موج در جهت راست یا چپ می چرخند.
نور غیرقطبی
تابش نوری حاصل از بسیاری از منابع (مانند خورشید، شعله های آتش و لامپ های رشته ای عمومی) از زنجیره ای از امواج کوتاه و با ترکیبی برابر از قطبش ها تشکیل شده اند.
نور پلاریزه را می توان با عبور نور غیرقطبی از یک پلارایزر تولید کرد که به امواجی با یک قطبش اجازه عبور می دهد.
مواد فعال نوری
مواد فعال نوری، که به عنوان مواد کایرال نیز شناخته می شوند، یک ویژگی منحصر به فرد و شگفت انگیز دارند:
آنها می توانند صفحه نور پلاریزه را هنگام عبور از خود بچرخانند. این پدیده به دلیل توزیع نابرابر اتم ها در اطراف یک مرکز کایرال رخ می دهد.
مولکول های کایرال، مولکول هایی هستند که نمی توان آنها را مانند دست چپ و راست روی تصاویر آینه ای خود قرار داد و این ویژگی است که مسئول تعامل منحصر به فرد آنها با نور است.
یک اتم کربن را فرض کنید که چهار گروه اتم مختلف به آن متصل شده است. بسته به جهت گیری این چهار گروه مختلف در مورد کربن کایرال، این ترکیب ممکن است نور پلاریزه شده صفحه را به چپ یا راست بچرخاند.
بسیاری از ترکیبات شیمیایی می توانند در بیش از یک شکل فعال نوری وجود داشته باشند، به طوری که هر شکل یا ایزومر آنها قادر خواهد بود صفحه نور قطبی شده را با مقدار مشخصه آن ایزومر بچرخاند.
تاریخچه مختصری از پلاریمتر
قطبش سنج در اواسط قرن نوزدهم توسط دانشمند فرانسوی آگوستین ژان فرزنل (Augustin-Jean Fresnel) ساخته شد که نقش قابل توجهی در زمینه اپتیک داشت.
فرزنل به خاطر کارش بر روی تئوری موج نور و اختراع لنز فرنل که به طور گسترده در فانوس های دریایی، دوربین ها و سایر دستگاه های نوری استفاده می شود، مشهور است.
اصل عملکردی یک قطبش سنج
به طور خلاصه، عملکرد کلی یک پلاریمتر شامل موارد زیر می باشد:
- قطبش سنج با یک منبع نور شروع می شود که امواج الکترومغناطیسی را با فرکانس مشخصی ساطع می کند.
- سپس با استفاده از یک پلارایزر، نوری با حالت قطبش مشخص تولید می کند و صفحه قطبش ثابت است.
- آنالایزر تا رسیدن به شرایط انتقال صفر می چرخد، زمانی که محورهای انتقال قطبی کننده و آنالایزر در زوایای قائم با یکدیگر قرار دارند و نوری از دستگاه عبور نمی کند.
- نور پلاریزه به نمونه فعال نوری فرستاده می شود که تا حدودی جهت قطبش را می چرخاند.
- در لوله نمونه، آنالایزر تا زمانی که حالت تاریک اولیه بازگردد، چرخانده می شود.
- میزان چرخش با نگاه کردن به تحلیلگر تعیین می شود و با تغییر در شدت روشنایی مشخص می شود.
- قرائت جدید بر روی مقیاس مشخص شده است و تفاوت بین دو قرائت میزان چرخش نور پلاریزه شده توسط محلول نوری فعال را بر حسب درجه نشان می دهد.
- پلاریمترهای مدرن چرخش را به صورت الکترونیکی یا با لیزر تعیین می کنند و نتایج در عرض چند ثانیه بر روی صفحه دیجیتال ارائه می شود.
- این ترکیبات می توانند صفحه نور پلاریزه خطی را به سمت چپ (در خلاف جهت عقربه های ساعت) یا راست (در جهت عقربه های ساعت) بچرخانند.
- میزان چرخش نور به عنوان زاویه چرخش شناخته می شود.
- پس از عبور از نمونه، جهت گیری آن تغییر می کند و با عبور از یک قطبشگر خطی دیگر (به نام تحلیلگر) تشخیص می دهد که می تواند حول محور پرتو بچرخد.
- اطلاعات نهایی برخی از خواص کایرال نمونه، از جمله غلظت نسبی انانتیومرهای موجود را نشان می دهد.
بهترین روش این است که تحلیلگر را در موقعیتی بچرخانیم که انتقال توان نوری در آن حداقل باشد و جهت گیری زاویه ای را در جایی که این شرط برقرار است، ثبت کنیم.
جزئیات و اصلاحات روش
اندازه گیری باید برای طول سلول مورد استفاده و غلظت محلول اصلاح شود. مقایسه چرخش مشاهده شده اصلاح شده با مقادیر منتشر شده می تواند به شناسایی یک ترکیب ناشناخته کمک کند.
اگر منبع نور مورد استفاده خودش نور پلاریزه خطی ساطع می کند، بنابراین وجود اولین پلاریزه کننده ضروری نیست. به عنوان مثال، منبع نور انواع مختلف لیزر باشد.
با این حال، برای به دست آوردن درجه بالایی از قابلیت اطمینان از قطبش خطی، پلاریزه کننده همچنان با یک جهت کاملاً تعریف شده استفاده شود.
انواع مختلف پلاریمتر
پلاریمترهای دایره ای
دو فیلتر پلاریزه دارند که به گونه ای قرار گرفته اند که نوری از ترکیب عبور نکند. با چرخاندن یکی از فیلترها برای تغییر موقعیت تاریک، می توان میزان چرخش وارد شده توسط نمونه را اندازه گیری کرد.
پلاریمتر نیم سایه لوران (Laurent's half-shade polarimeter)
تکنیک نیم سایه به کار رفته در قطبش سنج، گسترش تحقیقات فرزنل در مورد پلاریزاسیون و تداخل نور است که امکان اندازه گیری دقیق و حساس تر چرخش نوری را فراهم می کند.
این تکنیک میدان دید را به دو نیمه تقسیم می کند. یک نیمه توسط نور قطبی روشن می شود، در حالی که نیمه دیگر تاریک می ماند.
یک پلاریمتر نیمه سایه (معمولاً از دو صفحه گوه ای شکل با خواص قطبش متفاوت، معمولاً یک صفحه کوارتز و یک صفحه شیشه ای) این اثر را به دست می آورد.
هنگامی که صفحه قطبش نور ورودی با مرز بین دو صفحه همسو می شود، میدان دید به طور یکنواخت روشن می شود.
پلاریمترهای گوه ای کوارتز
در این نوع پلاریمتر، از گوه کوارتز به جای آنالایزر چرخشی استفاده می شود و هدف اصلی آن معرفی یک تفاوت مسیر نوری کنترل شده برای آنالیز مواد دو شکستی است.
انکسار دوگانه (پدیده دو شکستی) به خاصیت نوری مواد خاصی اشاره دارد که در آن ضریب شکست به قطبش و جهت انتشار نور بستگی دارد.
گوه کوارتز یک جبران کننده ساده و نیمه کمی است که در اطراف یک بلوک کریستالی از برش کوارتز زاویه دار طراحی شده است، به طوری که محور نوری کوارتز موازی یا عمود بر لبه کریستال دوشکست کننده جهت گیری می کند.
تفاوت مسیر نوری بین جبهه های موج سریع و آهسته قطبی شده متعامد که از گوه عبور می کنند، تابع متغیر پیوسته ای از ضخامت است.
این نوع از پلاریمتر ها دارای محدوده مؤثر مرتبه 4 (تقریباً 500 تا 2000 نانومتر) است و معمولاً برای اندازه گیری تأخیر کیفی نمونه های پتروگرافی (مقاطع نازک سنگ و نمونه های معدنی) استفاده می شود.
آنها همچنین برای تعیین جهت ناهمسانگردی (جهت گیری محورهای سریع و کند کریستالی) در نمونه های دوشکست که مقدار تأخیر آنها در محدوده گوه قرار می گیرد نیز مفید هستند.
سخن پایانی
پلاریمتری یک روش حساس و غیر مخرب برای اندازه گیری فعالیت نوری این ترکیبات معدنی و آلی است.
چشم انسان نمی تواند تشخیص دهد که آیا نور قطبی شده است، اما اثرات قطبش را می توان با استفاده از فیلترهای پلاریزه مشاهده کرد.
به طور خلاصه، پلاریمتر میزان برهمکنش یک ماده با نور پلاریزه شده و اینکه آیا نور پلاریزه شده صفحه را به سمت چپ، به راست می چرخاند یا اصلاً نمی چرخاند را اندازه گیری می کند.
پلاریمترها به ما کمک می کنند تا خواص نوری مواد و توانایی آنها در چرخش نور پلاریزه را درک کنیم. آنها در شیمی، داروسازی و سایر زمینه های علمی کاربرد دارند. 🌟
