قياس الاستقطاب: الأساس المنطقي والأنواع والتطبيقات والمزايا والعيوب - كيمياء - 2026

و الاستقطاب يقيس دوران الاستقطاب ويمر بها شعاع الضوء عندما كان يمر من خلال المادة الفعالة بصريا والذي قد يكون الزجاج (مثل التورمالين) أو محلول السكر.

إنها تقنية بسيطة ، تنتمي إلى طرق التحليل الضوئية ولها تطبيقات عديدة ، لا سيما في الصناعات الكيميائية والصناعات الغذائية لتحديد تركيز المحاليل السكرية.

الشكل 1. مقياس الاستقطاب الرقمي التلقائي. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. A.KRÜSS Optronic GmbH ،

أساس

يكمن الأساس المادي لهذه التقنية في خصائص الضوء كموجة كهرومغناطيسية ، تتكون من مجال كهربائي ومغناطيسي يتحركان في اتجاهات متعامدة بشكل متبادل.

الموجات الكهرومغناطيسية عرضية ، مما يعني أن هذه الحقول بدورها تنتشر في الاتجاه العمودي عليها ، وفقًا للشكل 2.

ومع ذلك ، نظرًا لأن المجال يتكون من العديد من القطارات الموجية التي تأتي من كل ذرة ، وكل واحدة تتأرجح في اتجاهات مختلفة ، فإن الضوء الطبيعي أو الذي يأتي من المصباح الكهربائي المتوهج غير مستقطب.

في المقابل ، عندما تحدث اهتزازات المجال في اتجاه تفضيلي ، يُقال إن الضوء مستقطب. يمكن تحقيق ذلك من خلال السماح لشعاع الضوء بالمرور عبر مواد معينة قادرة على حجب المكونات غير المرغوب فيها والسماح بمرور عنصر واحد فقط على وجه الخصوص.

الشكل 2. رسم متحرك لحقل كهرومغناطيسي ينتشر على طول المحور x. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. And1mu.

بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت الموجة الضوئية تتكون من طول موجي واحد ، فلدينا حزمة أحادية اللون مستقطبة خطيًا.

تسمى المواد التي تعمل كمرشحات لتحقيق ذلك المستقطبات أو أجهزة التحليل. وهناك مواد تستجيب للضوء المستقطب ، وتدور مستوى الاستقطاب. تُعرف بالمواد الفعالة بصريًا ، مثل السكريات.

أنواع مقياس الاستقطاب

بشكل عام ، يمكن أن تكون أجهزة قياس الاستقطاب: يدوية وآلية وشبه آلية ورقمية.

كتيبات

تُستخدم مقاييس الاستقطاب اليدوية في المعامل التعليمية والمختبرات الصغيرة ، بينما تُفضل المقاييس التلقائية عند الحاجة إلى عدد كبير من القياسات ، لأنها تقلل من الوقت المستغرق في القياس.

تلقائي ورقمي

يأتي الطرازان الأوتوماتيكي والرقمي مزودًا بكاشف كهروضوئي ، وهو جهاز استشعار يصدر استجابة لتغير الضوء ويزيد بشكل كبير من دقة القياسات. هناك أيضًا من يقدمون القراءة على شاشة رقمية ، حيث يسهل تشغيلهم.

لتوضيح العملية العامة لمقياس الاستقطاب ، يتم وصف النوع البصري اليدوي أدناه.

العملية والأجزاء

يستخدم مقياس الاستقطاب الأساسي اثنين من منشورات نيكول أو صفائح بولارويد ، حيث توجد المادة النشطة بصريًا التي سيتم تحليلها.

كان ويليام نيكول (1768-1851) فيزيائيًا اسكتلنديًا كرس جزءًا كبيرًا من حياته المهنية للأجهزة. باستخدام بلورة الكالسيت أو سبار أيسلندا ، وهو معدن قادر على تقسيم شعاع الضوء الساقط ، أنشأ نيكول في عام 1828 منشورًا يمكن من خلاله الحصول على ضوء مستقطب. كان يستخدم على نطاق واسع في بناء أجهزة قياس الاستقطاب.

الشكل 4. بلورات الكالسيت ثنائية الانكسار. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. APN MJM.

الأجزاء الرئيسية لمقياس الاستقطاب هي:

- مصدر الضوء. بشكل عام مصباح الصوديوم أو التنجستن أو بخار الزئبق ، والذي يعرف طوله الموجي.

- المستقطبات. استخدمت النماذج الأقدم مناشير نيكول ، بينما تستخدم النماذج الأكثر حداثة عادةً صفائح بولارويد ، مصنوعة من جزيئات هيدروكربونية طويلة السلسلة مع ذرات اليود.

- حامل عينة. مكان وضع المادة المراد تحليلها ، وطولها متغير ، ولكنه معروف تمامًا.

- عدسة ومؤشرات مزودة بمقاييس رنيه. للمراقب أن يقيس بدقة القوة الدورانية للعينة. النماذج الأوتوماتيكية لها مستشعرات كهروضوئية.

- مؤشرات درجة الحرارة والطول الموجي. نظرًا لأن القوة الدورانية للعديد من المواد تعتمد على هذه المعلمات.

الشكل 5. مخطط مقياس الاستقطاب اليدوي. المصدر: Chang، R. Chemistry.

لوران القطبية

في الإجراء الموصوف ، هناك إزعاج بسيط عندما يقوم المراقب بضبط الحد الأدنى من الضوء ، لأن العين البشرية غير قادرة على اكتشاف الاختلافات الصغيرة جدًا في اللمعان.

لعلاج هذه المشكلة ، يضيف مقياس الاستقطاب لوران نصف طول موجي يؤخر نصفه ، مصنوع من مادة مزدوجة الانكسار.

بهذه الطريقة ، يكون للمراقب منطقتين أو ثلاث مناطق متجاورة ذات لمعان مختلف ، تسمى الحقول ، في العارض. هذا يسهل على العين تمييز مستويات الضوء.

لديك القياس الأكثر دقة عندما يتم تشغيل المحلل بطريقة تجعل جميع الحقول قاتمة بشكل متساوٍ.

الشكل 6. القراءة اليدوية لمقياس الاستقطاب. المصدر: F. Zapata.

قانون البيوت

يربط قانون Biot القوة الدوارة α لمادة نشطة بصريًا ، مقاسة بالدرجات الستينية ، مع التركيز c للمادة المذكورة - عندما تكون محلولًا - وهندسة النظام البصري.

هذا هو السبب في أنه تم التركيز في وصف مقياس الاستقطاب ، على أنه يجب معرفة قيم الطول الموجي للضوء وقيم حامل العينة.

يُشار إلى ثابت التناسب ويسمى القوة الدورانية المحددة للحل. يعتمد ذلك على الطول الموجي λ للضوء الساقط ودرجة حرارة T للعينة. عادة ما يتم جدولة قيم ضوء الصوديوم عند 20 درجة مئوية ، على وجه التحديد ، الذي يبلغ طوله الموجي 589.3 نانومتر.

اعتمادًا على نوع المركب المراد تحليله ، يتخذ قانون Biot أشكالًا مختلفة:

- المواد الصلبة النشطة بصريا: α =.ℓ

- السوائل النقية: α =. ℓ.ρ

- المحاليل ذات المذابات ذات النشاط البصري: α =. ℓ.c

- عينات تحتوي على عدة مكونات نشطة بصريًا: ∑α _i

بالكميات الإضافية التالية ووحداتها:

- طول حامل العينة: ℓ (ملم للمواد الصلبة و dm للسوائل)

- كثافة السوائل: ρ (جم / مل)

- التركيز: ج (جم / مل أو مولارية)

المميزات والعيوب

تعتبر أجهزة Polarimeters أدوات معملية مفيدة للغاية في مناطق مختلفة ولكل نوع من أجهزة قياس الاستقطاب مزايا وفقًا للاستخدام المقصود.

من المزايا الكبيرة لهذه التقنية نفسها أنها اختبار غير إتلافي ، ومناسبة عند تحليل عينات باهظة الثمن وقيمة أو أنه لسبب ما لا يمكن تكرارها. ومع ذلك ، لا ينطبق قياس الاستقطاب على أي مادة ، فقط لتلك التي لها نشاط بصري أو مواد مراوان ، كما هو معروف أيضًا.

من الضروري أيضًا اعتبار أن وجود الشوائب يؤدي إلى حدوث أخطاء في النتائج.

تتوافق زاوية الدوران التي تنتجها المادة التي تم تحليلها مع خصائصها: نوع الجزيء وتركيز المحلول وحتى المذيب المستخدم. للحصول على كل هذه البيانات ، من الضروري أن تعرف بالضبط الطول الموجي للضوء المستخدم ودرجة الحرارة وطول حاوية حامل العينة.

الدقة التي تريد تحليل العينة بها حاسمة عند اختيار المعدات المناسبة. وتكلفتها أيضا.

مزايا وعيوب مقياس الاستقطاب اليدوي

- تميل إلى أن تكون أرخص ، على الرغم من وجود إصدارات رقمية منخفضة التكلفة أيضًا. بالنسبة لهذا هناك الكثير من العروض.

- إنها مناسبة للاستخدام في المعامل التعليمية وكتدريب ، لأنها تساعد المشغل على التعرف على الجوانب النظرية والعملية لهذه التقنية.

- هم دائما تقريبا صيانة منخفضة.

- إنها مقاومة ومتينة.

- تعتبر قراءة القياس أكثر صعوبة ، خاصة إذا كانت المادة المراد تحليلها ذات قوة دوران منخفضة ، لذلك يكون المشغل عادة موظفين متخصصين.

مزايا وعيوب أجهزة قياس الاستقطاب التلقائية والرقمية

- من السهل التعامل معها وقراءتها ، ولا تتطلب موظفين متخصصين لتشغيلها.

- يمكن لمقياس الاستقطاب الرقمي تصدير البيانات إلى الطابعة أو جهاز التخزين.

- تتطلب مقاييس الاستقطاب التلقائية وقت قياس أقل (حوالي ثانية واحدة).

- لديهم خيارات للقياس على فترات.

- يسمح الكاشف الكهروضوئي بتحليل المواد بقدرة دوران منخفضة.

- التحكم في درجة الحرارة بكفاءة ، وهي المعلمة الأكثر تأثيرًا على القياس.

- بعض الموديلات غالية الثمن.

- تتطلب صيانة.

التطبيقات

يحتوي Polarimetry على عدد كبير من التطبيقات ، كما ذكر في البداية. تتنوع المناطق والمركبات التي سيتم تحليلها يمكن أن تكون عضوية وغير عضوية أيضًا. هذه هي بعض منها:

- في مراقبة الجودة الصيدلانية ، يساعد على تحديد أن المواد المستخدمة في تصنيع الأدوية لها التركيز والنقاء المناسبين.

- لضبط جودة صناعة المواد الغذائية وتحليل نقاوة السكر ومحتوياته في المشروبات والحلويات. تسمى مقاييس القطبية المستخدمة بهذه الطريقة أيضًا مقاييس السكريات وتستخدم مقياسًا معينًا ، يختلف عن المقياس المستخدم في التطبيقات الأخرى: مقياس ºZ.

الشكل 7. يتم إجراء مراقبة جودة محتوى السكر في النبيذ وعصائر الفاكهة عن طريق قياس الاستقطاب. المصدر: Pixabay.

- أيضًا في تكنولوجيا الغذاء ، يتم استخدامه للعثور على محتوى النشا في العينة.

- في الفيزياء الفلكية ، يستخدم قياس الاستقطاب لتحليل استقطاب الضوء في النجوم ودراسة المجالات المغناطيسية الموجودة في البيئات الفلكية ودورها في الديناميات النجمية.

- يفيد قياس الاستقطاب في الكشف عن أمراض العيون.

- في أجهزة الاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية لرصد السفن في أعالي البحار ومناطق التلوث في وسط المحيط أو على اليابسة ، وذلك بفضل التقاط صور عالية التباين.

- تستخدم الصناعة الكيميائية مقياس الاستقطاب للتمييز بين الأيزومرات الضوئية. هذه المواد لها خواص كيميائية متطابقة ، لأن جزيئاتها لها نفس التركيب والهيكل ، لكن إحداهما هي صورة طبق الأصل عن الأخرى.

تختلف الأيزومرات الضوئية في طريقة استقطابها للضوء (المتشابهة): يقوم أحد الأيزومرات بذلك إلى اليسار (الأيسر) والآخر إلى اليمين (اليد اليمنى) ، دائمًا من وجهة نظر الراصد.

1. AGS التحليلية. ما هو مقياس الاستقطاب؟ تم الاسترجاع من: agsanalitica.com.
2. تشانغ ، ر. الكيمياء. 2013. الطبعة الحادية عشرة. ماكجرو هيل.
3. جافيرا ، ج. تم الاسترجاع من: triplenlace.com.
4. الأجهزة العلمية. القطبية. تم الاسترجاع من: uv.es.
5. جامعة البوليتكنيك في فالنسيا. تطبيق قياس الاستقطاب

   لتحديد درجة نقاء السكر. تم الاسترجاع من: riunet.upv.es.