پلاریزاسیون چیست؟

پلاریمتر دستگاهی است برای اندازه گیری چرخش نور قطبیده یا پلاریزه شده. قطبش، قطبیدگی و یا پلاریزاسیون خاصیتی می باشد که برای امواج عرضی که جهت هندسی نوسانات را نشان می دهند، به کار می رود. در موج عرضی، جهت نوسان بر جهت حرکت موج عمود است.

در تصویر زیر یک مثال از یک موج عرضی قطبیده شده می باشد که همان طور که مشاهده می کنید ارتعاشی است که در امتداد یک رشته کشیده حرکت می کند. امواج عرضی که نشان دهنده قطبش می باشند شامل امواج الکترو مغناطیسی (مانند امواج نور و رادیویی)، امواج صوتی عرضی در جامدات یا به اصطلاح امواج برشی و نیز امواج گرانشی می باشند.

مثال نور پلاریزه

برای درک بهتر این موضوع می توان ساز موسیقی گیتار را مثال زد که بسته به نحوه نواخته شدن سیم، ارتعاشات می تواند در جهت های عمودی، افقی و یا در هر زاویه ای عمود بر سیم گیتار باشند. در مقابل امواج عرضی، امواج طولی خاصیت قطبی شدن را از خود نشان نمی دهند و جا به جایی ذرات در نوسان، همیشه در جهت انتشار است مانند امواج صوتی در مایع و گاز.

جهت نورهای پلاریزه شده:

یک موج الکترومغناطیسی مانند نور همواره شامل یک میدان مغناطیسی به همراه یک میدان الکتریکی است که همواره بر یکدیگر عمود هستند. بر طبق استاندارد ها، پلاریزه شدن امواج الکترومغناطیسی، مطابق با جهت میدان الکتریکی می باشد و در یک قطبیده شدن خطی، میدان ها در یک جهت واحد نوسان می کنند.

در قطبش دایره ای و یا بیضوی، میدان ها در حین حرکت موج با سرعتی ثابت در یک صفحه می چرخند و این چرخش شامل دو جهت مختلف می شود. در صورتی که میدان ها در جهت سمت راست بچرخند به این حالت قطبش دایره ای راست می گویند و اگر میدان ها به جهت چپ بچرخند، به آن قطبش دایره ای چپ می گویند.

پولاریزاسیون یک پارامتر مهم در حوزه های علمی می باشد که با امواج عرضی سروکار دارد که امواج عرضی همواره در مواردی چون زلزله شناسی، اپتیک، رادیو و امواج مایکروو نمونه های آن می باشد و فناوری هایی چون ارتباطات بی سیم، فیبر نوری، لیزر و رادار از بررسی و آنالیز این پارامتر بهره می برند.

دستگاه پلاریمتر یا قطب سنج:

قطبش نور خورشید در جو زمین برای انسان نامرئی است و برای برخی از حشرات مانند مورچه، زنبور عسل و ملخ قابل رویت و درک است. زنبور های عسل با استفاده از آن جهت پرواز خود را تغییر می دهند و یا یک گونه از پروانه های گرمسیر برای جفت گیری نور قطبی شده را با بال های خود در الگوهای خاصی منعکس می کند . پدیده های قطبی شدن از دید ما انسان ها پنهان است و ما باید از ابزار های فیزیکی برای مشاهده اثرات پلاریزاسیون استفاده کنیم.

پلاریمتر دستگاهی آزمایشگاهی و علمی ای است برای اندازه گیری زاویه چرخش ناشی از عبور نور قطبیده شده از یک ماده فعال نوری. نور پلاریزه با عبور از مواد شیمیایی که از نظر نوری فعال هستند، به چپ و یا راست می چرخد که این میزان از چرخش نور را به عنوان زاویه چرخش می نامند. جهت چرخش و میزان درجه چرخش اطلاعاتی را در مورد ویژگی های نمونه و غلظت نسبی ایزومر های نوری موجود در نمونه نشان می دهد.

نمونه هایی از محیط های فعال نوری عبارت اند از: شکر، اسید لاکتیک، کوارتز، کلسیت و کلرات سدیم.

ساختار دستگاه پلاریمتر:

دستگاه پلاریمتر از دو منشور پلاریزه کننده و تحلیل گر تشکیل شده است، منشور پلاریزه ثابت است و می توان منشور تحلیل گر را چرخاند.

منشور پلاریزه کننده تنها به امواج نوری اجازه می دهد که در یک صفحه حرکت کنند و این امر باعث می شود که نور پلاریزه شود. هنگامی که منشور آنالایزر در موقعیت مشابهی قرار بگیرد، به امواج نوری ای که از منشور پلاریزه کننده می آید اجازه عبور از آن را می دهد. اکنون یک لوله شیشه ای حاوی یک محلول فعال نوری بین منشور آنالایزر و پلاریزه کننده قرار می دهیم و نور از طریق صفحه قطبش در یک زاویه خاص می چرخد، آنالایزر نیز باید در همان زاویه بچرخد. هنگامی که آنایزر طوری بچرخد که تمام نور یا هیچ نوری نتواند از آن عبور کند، می توان زاویه چرخشی را پیدا کرد که برابر است با زاویه چرخش منشور آنالایزر که این امر می تواند به صورت چرخش دستی توسط کاربر و یا تشخیص خودکار توسط دستگاه انجام پذیرد.

برای مثال هرچه غلظت قند در محلول نمونه بیشتر باشد، زاویه چرخش نیز بیشتر است.

نحوه محاسبه غلظت بر حسب زاویه چرخش را می توان با فرمول زیر تعریف کرد:

a=[a]*c*L

a: میزان زاویه چرخشی است که دستگاه پلاریمتر به ما می دهد.

[a]: چرخش ویژه

این مقدار برای هر ماده ای خاص و ثابت است، برای مثال ساکاروز در دمای 20 درجه سانتی گراد و طول موج 589 نانومتر حدود 66.5 درجه است.

c: میزان غلظت بر حسب گرم بر میلی لیتر و یا درصد حجمی

L: طول لوله قرارگیری نمونه بر حسب سانتیمتر

با استفاده از فرمول بالا و جاگزین کردن مقادیر و داده های موجود می توان میزان غلظت را به دست آورد.

برای کالیبراسیون دستگاه های پلاریمتر از سل های کالیبراسیون برای دستگاه استفاده می شود.

پلاریمتر اتوماتیک p3000 به همراه سل کالیبراسیون دستگاه

نمونه هایی از پلاریمتر های آزمایشگاهی با دقت و کیفیت بالا می توان به پلاریمتر آنالوگ مدل P1000-LED که دارای زاویه چرخش از 0 تا 180 درجه به صورت آنالوگ و پلاریمتر تمام اتوماتیک مدل P3000 که دارای رنج کامل اندازه گیری است و پلاریمتر تمام اتوماتیک مدل P850A که دارای دامنه اندازه گیری از 0 تا 90 درجه می باشد می توان اشاره کرد که هر 3 مدل نامبرده از سازندگانی به نام در زمینه تجهیزات نور و اپتیکی و آزمایشگاهی می باشند.

پلاریمتر های تمام اتوماتیک:

پلاریمتر های اتوماتیک در حال حاظر به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و این دستگاه های بدون توجه به زاویه چرخش نمونه، نتیجه دقیقی را در عرض چند ثانیه به کاربر می دهد و علاوه بر موارد فوق امکان اندازه گیری مداوم و کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا و سایر تحقیقات جنبشی را تسهیل می کنند.

از ویژگی های مهم دستگاه های پلاریمتر امروزی، مدولاتور فارادی می باشد که این امر باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی با جریان متناوب می باشد.

دمای نمونه تاثیر قابل توجهی بر چرخش نوری نمونه دارد و امروزه با استفاده از پلتیر ترموستات به صورت فعال دمای نمونه را کنترل می کنند. تکنیک های خاصی نیز مانند لوله های نمونه کنترل شده با دما، خطاهای اندازه گیری را کاهش می دهند و عملیات را آسان می کنند. در گذشته پر کردن دقیق سلول نمونه باید خارج از دستگاه انجام می شد ولی امروزه در دستگاه های پلاریمتر جدید، با استفاده از سیستم دوربین می توان نظارت کامل بر نمونه و شرایط پر شدن دقیق سلول را انجام داد. در دستگاه های جدید با استفاده از کابل یو اس بی می توان به صورت مستقیم داده های به دست آمده را به سیستم های رایانه منتقل کرد و این امر موجب تسریع در امور آنالیز و بررسی گردد.

موارد استفاده از دستگاه پلاریمتر:

صنایع شیمیایی:

بسیاری از مواد شیمیایی چرخش خاصی را به عنوان یک ویژگی منحصر به فرد از خود نشان می دهند که می توان برای تشخیص آن ماده، استفاده کرد. به همین دلیل پلایمتر ها می توانند بر همین اساس نمونه های ناشناخته را شناسایی کنند و این کاربرد در صنایع شیمیایی بسیار مورد توجه قرار می گیرد.

صنایع غذایی، آشامیدنی و دارویی:

اندازه گیری غلظت و خلوص برای تعیین کیفیت محصول یا مواد تشکیل دهنده در صنایع غذایی و آشامیدنی و داروسازی از مهم ترین عواملی است که باید بررسی گردد. نمونه هایی که چرخش های را نشان می دهند که می توان با استفاده از پلاریمتر میزان خلوص آن ها را بررسی کنیم عبارتند از:

استروئید ها

دیورتیک ها

آنتی بیوتیک ها

مواد مخدر

ویتامین ها

داروهای ضد درد

امینو اسید

روغن ضروری

پلیمر

نشاسته

قند ها

پلاریمترها در صنعت قند و شکر برای تعیین کیفیت آب نیشکر و ساکارز تصفیه شده استفاده می گردد.