Aufbau und Funktion von Polarimetern
Wie ein Polarimeter aus Lichtquelle, Polarisator, Messzelle und Analysator den Drehwinkel misst und was das Halbschattenpolarimeter beim Ablesen verbessert.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Polarimeter misst den Drehwinkel \(\alpha\), um den eine optisch aktive Probe die Schwingungsebene linear polarisierten Lichts dreht.
- Die Lichtquelle muss monochromatisch sein, die Natriumdampflampe (589 nm) braucht keinen zusätzlichen Filter.
- Der Polarisator vor der Messzelle erzeugt linear polarisiertes Licht, der drehbare Analysator hinter der Messzelle zeigt die Drehung an.
- Aufbau des einfachen Polarimeters: Lampe, Polarisator, Messzelle, Analysator; Prisma und Beugungsgitter gehören nicht dazu.
- Im Halbschattenpolarimeter steht die Halbschatteneinrichtung direkt hinter dem Polarisator, abgelesen wird bei gleich grauen Sichtfeldhälften.
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Worum es geht
Optisch aktive Stoffe wie Saccharose oder Glucose drehen die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht. Das Polarimeter macht diese Drehung messbar. In der Pharmazie prüft man damit Identität, Reinheit und Gehalt chiraler Arznei- und Hilfsstoffe.
Messprinzip
Ein Polarimeter misst den Drehwinkel \(\alpha\). Um diesen Winkel dreht eine optisch aktive Probe die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht. Wovon \(\alpha\) abhängt, also Konzentration, Schichtlänge und Temperatur, behandelt die Seite zur optischen Drehung.
Daraus folgt die Grundbedingung: Die Messung braucht linear polarisiertes Licht. Nur wenn das Licht vor der Probe eine definierte Schwingungsebene hat, kann man deren Drehung feststellen. Die Glasfenster der Küvette sind optisch nicht aktiv. Ihre Dicke hat deshalb keinen Einfluss auf den Drehwinkel, es zählt allein die Schichtlänge der Lösung.
Lichtquelle
Die Lichtquelle sollte möglichst monochromatisches Licht aussenden. Der Drehwinkel hängt nämlich von der Wellenlänge ab, wie die Rotationsdispersion zeigt. Weißes Licht würde jede Farbe unterschiedlich stark drehen, und eine saubere Konzentrationsbestimmung wäre unmöglich.
Der Klassiker ist die Natriumdampflampe. Sie strahlt fast nur das gelbe Licht der Natrium-D-Linie bei 589 nm ab. Ihr Licht ist damit schon nahezu monochromatisch, ein zusätzlicher Filter ist nicht nötig. Bei einer weißen Lampe müsste man dagegen mit einem Filter oder Monochromator eine Wellenlänge auswählen.
Polarisiert muss das Licht der Lampe nicht sein. Diese Aufgabe übernimmt das nächste Bauteil, der Polarisator.
Polarisator und Analysator
Zwischen Lichtquelle und Messzelle sitzt ein Polarisator, meist eine Polarisationsfolie oder ein doppelbrechendes Prisma. Wie er arbeitet, erklärt die Seite zu Polarisatoren. Er macht aus dem unpolarisierten Lampenlicht linear polarisiertes Licht, das dann die Probe durchläuft.
Hinter der Messzelle folgt ein zweiter Polarisator. Er ist drehbar und trägt eine Winkelskala. In dieser Rolle heißt er Analysator, denn er prüft, in welcher Ebene das Licht nach der Probe schwingt. Die Probenküvette steht also immer zwischen Polarisator und Analysator.
Der Analysator ist ein drehbarer Polarisator hinter der Messzelle. An seiner Skala liest man ab, um welchen Winkel die Probe die Schwingungsebene gedreht hat.
Man kann sich die beiden Folien wie zwei Gitterzäune vorstellen. Stehen ihre Durchlassrichtungen senkrecht zueinander, kommt kein Licht durch. Dreht die Probe die Schwingungsebene, wird es hell, bis man den Analysator um denselben Winkel nachführt.
Einfaches Polarimeter
Das einfache Polarimeter besteht aus vier Bauteilen in fester Reihenfolge: monochromatische Lichtquelle, Polarisator, Messzelle und drehbarer Analysator. Dahinter blickt das Auge auf das Sichtfeld.
Lampe, Polarisator, Probe, Analysator, Auge: Die Probe steht immer in der Mitte zwischen den beiden Polarisatoren.
Gemessen wird in zwei Schritten. Ohne Probe dreht man den Analysator auf Dunkelheit und notiert den Nullpunkt. Mit Probe wird es wieder hell. Nun dreht man den Analysator erneut auf Dunkelheit. Die Differenz der beiden Skalenwerte ist \(\alpha\).
Ein Prisma oder Beugungsgitter gehört nicht in ein Polarimeter. Solche Bauteile zerlegen Licht in seine Farben, wie beim Prisma. Das Messlicht ist aber schon monochromatisch und parallel, es gibt nichts mehr zu zerlegen. Auch zwischen Messzelle und Analysator hat ein Prisma daher keinen Platz.
Eine Skizze beurteilen
So prüfst du eine skizzierte Anordnung auf Funktionsfähigkeit:
- Licht: Ist die Quelle monochromatisch, etwa Natriumdampflampe oder Lampe mit Filter?
- Polarisator: Steht vor der Messzelle ein Polarisator?
- Probe: Liegt die Küvette zwischen den beiden Polarisatoren?
- Analysator: Folgt hinter der Küvette ein drehbarer Polarisator mit Skala?
Beispiel: Eine Skizze zeigt Lampe, Filter, Polarisationsfolie und Messzelle. Licht, Polarisator und Probe sind vorhanden. Es fehlt der Analysator hinter der Messzelle, ohne ihn lässt sich keine Drehung ablesen.
Halbschattenpolarimeter
Beim einfachen Polarimeter sucht man die dunkelste Stellung. Das Auge erkennt ein Helligkeitsminimum aber schlecht, weil sich die Helligkeit in seiner Nähe kaum ändert. Viel genauer vergleicht es zwei nebeneinanderliegende Flächen. Darauf beruht das Halbschattenpolarimeter.
Sein Strahlengang lautet: Lichtquelle mit Kollimator, Polarisator, Halbschatteneinrichtung, Küvette mit Probe, Analysator, Beobachtungseinheit. Der Kollimator macht das Licht parallel. Die Halbschatteneinrichtung steht direkt hinter dem Polarisator, also noch vor der Probe. Häufig ist es ein kleiner Zusatzpolarisator nach Lippich, der nur eine Hälfte des Bündels bedeckt. Die beiden Bündelhälften schwingen danach in zwei leicht gegeneinander verdrehten Ebenen.
Im Okular sieht man deshalb ein zweigeteiltes Sichtfeld. Steht der Analysator falsch, ist eine Hälfte hell und die andere dunkel. Beim Drehen kehrt sich das Verhältnis um. Dazwischen liegt die Messstellung: Beide Hälften erscheinen gleich hell, nämlich gleichmäßig grau und nicht dunkel. In diesem Moment liest man die Skala ab.
Abgelesen wird beim Halbschattenpolarimeter nicht bei Dunkelheit wie beim einfachen Gerät. Das richtige Bild zeigt zwei gleich graue Hälften ohne erkennbare Trennlinie.
Quiz
Aussage 1
Mit einer Natriumdampflampe kommt ein Polarimeter ohne zusätzlichen Farbfilter aus.
Die Natriumdampflampe liefert mit der D-Linie bei 589 nm bereits nahezu monochromatisches Licht.
Aussage 2
Ein Beugungsgitter zwischen Messzelle und Analysator ist nötig, um das Messlicht spektral zu zerlegen.
Das Messlicht ist bereits monochromatisch und parallel. Prisma oder Beugungsgitter gehören nicht zum Polarimeter.
Aussage 3
Dickere Glasfenster der Küvette vergrößern den gemessenen Drehwinkel.
Die Fenster sind optisch nicht aktiv. Der Drehwinkel hängt von der Schichtlänge der Lösung ab, nicht von der Fensterdicke.
Aussage 4
Beim Halbschattenpolarimeter liest man ab, wenn beide Hälften des Sichtfelds gleichmäßig grau erscheinen.
In der Messstellung sind beide Hälften gleich hell, also gleich grau und nicht dunkel.
Aussage 5
Die Lichtquelle eines Polarimeters muss selbst linear polarisiertes Licht aussenden.
Das Lampenlicht darf unpolarisiert sein. Die lineare Polarisation erzeugt der Polarisator vor der Messzelle.
Aussage 6
Der Analysator ist ein drehbarer Polarisator, der im Strahlengang hinter der Messzelle steht.
Die Küvette liegt zwischen Polarisator und Analysator, am drehbaren Analysator wird der Winkel abgelesen.
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