Misure di Polarimetria - Scuola di Scienze · propria del sistema materiale (condizione di...

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Misure di Polarimetria

Studiano come varia l’orientazione del vettore campo elettrico quando attraversa un mezzo materiale

( )( )trkBtrB

trkEtrE

w

w

-×=

-×=!!!!!!!!!!

cos),(

cos),(

0

0

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Polarizzazione Lineare

Polarizzazione linearelungo l’asse y

( )tkxyEtzE w-= cos),( 0

!!

Polarizzazione linearelungo l’asse x

( )tkzxEtzE w-= cos),(0

!!

http://cddemo.szialab.org/index.html

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Polarizzazione circolare

Destrogira

Levogira

( )( )tkzyE

tkzxEtzE

y

x

ww---=

sincos),(

0

0!

!!

( )( )tkzyE

tkzxEtzE

y

x

ww

-+-=

sincos),(

0

0!

!!

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Polarizzazione lineare come somma di polarizzazioni circolari levogirae destrogira con uguale fase

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Interazione del Campo Elettrico con un mezzo materialeAssorbimento

All’ingressodel mezzo

All’uscitadel mezzo

La luce passando nel mezzo cambia di intensità per effetto dell’assorbimento. Questo fenomeno avviene solo se la frequenza di oscillazione della r.e.m. è uguale ad una frequenza di transizione propria del sistema materiale (condizione di risonanza).

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Interazione del Campo Elettrico con un mezzo materiale

Indice di rifrazione

All’ingressodel mezzo

All’uscitadel mezzo

La luce passando nel mezzo cambia la sua velocità di propagazione, per effetto dell’interazione con le cariche presenti nel materiale che ne “ritardano” la progressione. Questo effetto viene descritto dall’indice di rifrazione definito come il rapporto tra la velocità di propagazione nel mezzo (v) e quella nel vuoto (c):

Non è necessaria la risonanza

cv

=n

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Molecole Chirali

Molecole chirali sono molecole caratterizzate dalla proprietà di non essere sovrapponibili con la loro immagine speculare.

Da un punto di vista della simmetria possono essere chirali solo le molecole che non possiedono un asse di rotazione improprio Sn ovvero un asse di rotazione di ordine n seguito da riflessione rispetto ad un piano perpendicolare a tale asse.

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AmminoacidiSistemi Elicoidali:

Zuccheri

ProteineDNA

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All’ingressodel mezzo

All’uscitadel mezzo

Soluzioni di sostanze otticamente attive hanno indice di rifrazione diverso per la radiazione polarizzata circolarmente a sinistra e a destra nL≠nR. Esse ruotano il piano di polarizzazione della luce polarizzata linearmente di un angolo a.

nL< nR

a: rotazione ottica nL – nR: birifrangenza circolare

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Proiezione di Fischer: Gli atomi di C della catena centrale sono visualizzati come centri della croce. I legami verticali sono diretti fuori dal piano in direzione opposta all’osservatore mentre i legami orizzontali sono diretti fuori dal piano nella stessa direzione dell’osservatore

Idrocarburi: zuccheri

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Laboratorio: ArabinsoioSoluzioni di D- e L- Arabinosio

E’ un aldoso con 5 atomi di carbonio. L’L-arabinosio è la forma chirale più presente in natura e si trova nelle emicellulose e nella pectina.

Il nome deriva dalla “gomma arabica” da cui è stato isolato per la prima volta.

Preparare soluzioni di D-arabinosio ed L-arabinosio alla concentrazione di ~ 0.1 g/ml in acqua deionizzata (una per gruppo).

Misure del potere ottico rotatorio e daterminazione del potere rotatorio specifico di soluzioniacquose di D-arabinosio ed L-arabinosio utilizzando led arancione (una per gruppo).

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T=20°C, λ=riga D del sodio a 589.3 nm

[ ]CLD

aa =20

La legge di Biot del potere rotatorio specifico delle soluzioni determina la dipendenza della rotazione dalla concentrazione della sostanza otticamente attiva:

Legge di Biot

in gradi cm3 / g dm

D-Arabinosio

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Strumentazione per misura di polarimetria a una singola lunghezza d’onda

Componentidelpolarimetro1)Sorgenteluminosa(LEDolaserino)2)Lentecollimatricedelfascio3)Chopper

4)Polarizzatore 6)Analizzatore6)Tubopolarimetrico

7)Lentecollimatricedelfascio

8)Fotodiodo

LEDSorgente luminosa è diodo ad emissioneluminosa: led arancione, blu, verde e rosso.

ChopperDisco rotante a settori pieni/vuoti per trasformare la luce continua in luce pulsata

Velocità di rotazione regolabile attraverso ilvalore di voltaggio (max 12 V) impostato sualimentatore.

Trigger esterno per sincronizzarel’acquisizione del segnale.

a) biconvessab) piano-convessac) menisco convessad) biconcavae) piano-concavaf) menisco concava

Guida e supportiPer posizionare tutte componenti ottiche.

Lenti

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f

Sorgenteluminosa

Fotodiodo

geometria ottimale per ottenere fasci collimati, e per focalizzarli, disponendo di lenti piano convesse una di fronte all’altra

Fasci collimati e focalizzazione

Polarizzatore lineareE’ montato su un goniometro

Polarizzatore + analizzatore.

Tubo polarimetricoTubo portacampioni, cammino ottico10 cm, dotato di finestre ottiche di quarzo.

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PolarizzatoreIl polarizzatore è un elemento ottico formato da un materiale cristallino o un polimero (polaroid) che trasmette solo luce polarizzata linearmente con una direzione che dipende dall’orientazione del polarizzatore.

La luce emessa da lampadine non ha un direzione di polarizzazione preferenziale.Si usa un polarizzatore per selezionare solo una certa direzione e ottenere quindi luce polarizzata linearmente. Il polarizzatore in genere viene “marcato” per sapere qual è la direzione di polarizzazione della luce trasmessa.

Un secondo polarizzatore, permette di determinare la direzione di polarizzazione relativa del primo perché ruotandolo si trovano le condizioni di massima (i polarizzatori con orientazione paralleli) o minima (polarizzatori orientati a 90°) emissione

FotodiodoPer rivelazione del segnale, sfruttando effetto fotoelettrico interno

OscilloscopioL'oscilloscopio e uno strumento in grado di visualizzare su uno schermo l'andamento di una tensione infunzione del tempo,Permette lettura del segnale in uscita da fotodiodo.

fotocorrente

Perché usare il CHOPPER ?

Per avere luce pulsata. In questo modo sull’oscilloscopio si potrà avere un segnale on (quando la luce del led colpisce il fotodiodo) e off (quando il chopper blocca la luce). Il segnale apparecome un’onda quadra. I massimi corrispondono a quando il chopper lascia passare la luce, iminimi a quando il chopper blocca la luce. E’ una misura differenziale.

Livello luce ambientale

Luce ambientale + segnale

D (SEGNALE)

Set-up strumentale

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• Il primo polarizzatore (P1) polarizza linearmente la luce della sorgente (S).• La luce attraversa la soluzione di acqua (CA) e non altera la direzione della luce

polarizzata • Il secondo polarizzatore (P2) viene ruotato in modo da minimizzare l'intensità della

luce in uscita letta dal fotodiodo (F) e misurata dal misuratore (R)

Questa operazione ci permette di orientare in maniera relativa I due polarizzatori (come mostrato dalla due frecce nere).

Misura del potere ottico rotatorio

SP2

CAP1R

F

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• Il primo polarizzatore (P1) polarizza linearmente la luce.• La luce attraversa la soluzione di acqua e arabinosio (CZ) e ruota la direzione della

luce polarizzata • Il secondo polarizzatore viene ruotato in modo da minimizzare l’intensità della luce

in uscita letta dal fotodiodo (F) e misurata dal Misuratore (R)

Questa operazione ci permette di misurare l’angolo α relativo tra le orientazioni dei due polarizzatori (come mostrato dalla due frecce nere).

Misura del potere ottico rotatorio

SP2

CZP1R

F

Esecuzione della misura: potere ottico rotatorio delle soluzioni di D- ed L-arabinosio

1) In assenza di soluzione nel tubo polarizzatore, posizionare polarizzatore a 0°

2) Ruotare l’analizzatore finché il segnale sull’oscilloscopio scompare

Analizzatore

3) Ruotare in senso inverso (antiorario in figura) di 20° l’analizzatore

20°

Analizzatore

4) Ruotare in senso orario l’analizzatore acquisendo un punto ogni 4°, per un totale di 10 punti: per ogni punto riportare angolo (letto sul goniometro dell’analizzatore) e intensità (in mV sull’oscilloscopio) ..5) Ripetere la misura per 3 volte per avere una stima dell’errore statistico.

ogni4°

6) Riempire il tubo polarimetrico con la soluzione di D-arabinosio, ripetere i punti 1-5.

7) Idem come al punto 6 per la soluzione di L-arabinosio.IMPORTANTE: non cambiare configurazione, rimuovere solo cella polarimetricaper sostituire soluzioni di D- ed L-arabinosio

Analizzatore

Al termine delle misure, ogni gruppo avrà a disposizione i seguenti set di dati :

1) 10 punti (angolo,mV) acquisiti ogni 4° nell’intorno del minimo con tubo polarimetricovuoto

2) 10 punti (angolo, mV), acquisiti ogni 4°, nell’intorno del minimo con tubopolarimetrico riempito con soluzione di D-arabinosio e di L-arabinosio utilizzando comesorgente un led arancione.

.

Elaborazione dati: potere rotatorio specificodelle soluzioni di D- ed L-arabinosio

Set di dati 1) e 2)

Riportare in grafico l’intensità del segnale in funzione dell’angolo di rotazione q, effettuareun fit dei dati utilizzando la funzione parabolica nella forma:

visto che i punti sono presi in una zona limitata attorno al punto di minimo.

cxxay +-×= 20 )(

Il punto di minimo è dato da x0.

Dalla differenza fra la distanza angolare di minimo x0 di ogni soluzione (D-arabinosio e L-arabinosio) con la distanza agolare di minimo dell’cella polarimetrica vuota si calcola il potereottico rotatorio di ogni soluzione:

Calcolare la potere ottico rotatorio specifico dei 2 enantiomeri confrontando il risultato con datitabulati .

Accompagnare elaborazione dei dati sperimentali con stima dell’errore.

a=x0(sol)-x0