[자연과학][일반물리] 광학활성[Optical Activity]

광학활성(Optical Activity)

1. 실험목적

편광된 빛이 설탕용액을 통과함에 따라 편광면이 회전하게되는 광학활성을 실험적으로 확인하고 , 좌선성, 우선성, 여부와 선광률을 측정한다.

2. 실험원리

1811년 프랑스의 Diminique F. J. Arago는, 선편광된 빛이 수정의 광축을 따라 진행함에 따라 그 편광면이 회전함을 관측하였고, 비슷한 시기에 Jean Baptiste Biot,는 액체 또는 기체 상태의 테레빈유(Turpentine,)에서도 비슷한 현상이 일어남을 관찰하였다. 이와 같이 어떤 종류의 물질들은 그 물질을 투과하는 빛의 편광면을 회전시키는데 이러한 성질을 광학활성(optical activity)이라 한다. 선편광된 빛은 같은 진폭을 갖는 좌향 원평광과 우향 원평광의 중첩으로 나타낼 수 있다. Fresnel은 광학활성 매질이 좌향원편광과 우향 원편광에 대하여 각기 다른 굴절율을 가진다고 가정함으로써 편광면의 회전을 설명할 수 있었고 이 때문에 광학활성을 원형 복굴절(circular birefringence)이라고도 한다.
전기장 E는 진동수 ω를 가지고 +X방향으로 진행하며 편광의 방향은 Y방향이며 다음과 같이 표현된다.(그림 1)

(1a)

where

(1b)

그림 1. 선편광된 sodium-D 빛이 설탕수을 통과하면서 편광각이 변한다.
그리고

(1c)

이고 는 선편광,와은 각각 오른쪽과 왼쪽의 원편광을 표현하고 있다. 따라서 선편광을 좌, 우 원편광의 중첩으로 설명할 수 있다.
d-glucose나 자기장의 영향아래 있는 물질인 경우 우향편광과 좌향편광의 속도가 다를 수도 있다. 그럴 경우 좌, 우향편광을 따로 계산하여 다시 결합하여 선형편광을 계산할 수 있다. 그 결과 선편광이 회전을 한다.
좌향편광과 우향편…

3. 실험장치

4. 실험방법

(1) 먼저 half-shade 편광계의 원점을 맞춘다.

(2) 비이커에 설탕물을 만든다. 물의 양과 설탕의 무게를 측정하여 농도 를 알고 있어야 한다.

(3) 4가지 농도의 용액을 만든다.

(4) 모든 용액의 온도는 똑같아야 한다. 모든 용기를 측정 전에 약 5분간 욕조 속에 넣어둔다.

(5) 농도와 회전각도 사이의 그래프를 그린다. 그리고 각 농도에서 선광률이 일정한지 확인한다.

5. 실험 결과

6. 토 의

① 우선 선편광된 빛이 수정의 광축을 따라 진행함에 따라 그 편광면이 회전함을 관측할 때, 선편광된 빛을 회전 시킬 때, 빛의 일치란 것이 상당히 어려운 작업이었다. 눈이 그렇게 좋지 못한 실험자에게, 이러한 실험은 오차가 날 수 밖에 없는 상황이다. 회전각을 측정하는 과정 역시, 어두운 실험실, 좋지 못한 시력, 이러한 요인들이 오차에 영향을 주었을 것이다.

② 온도에 의한 영향이 오차에 영향을 주었을 것이다. 실험 과정중, 쓰이는 유일한 광원은 스텐드 하나 뿐이다. 그러나 이 스텐드는 백열전구를 사용한다. 즉, 시간이 지날수록 설탕수용액을 가열시킬 여지는 충분하다.