臺灣化學教育

螺旋狀旋光彩虹管教具設計

廖旭茂^{1, 2,} *、林宸緯¹

¹國立大甲高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  影片觀賞

化學彩虹管實驗曾經在2015年教育部高中化學學科中心種子教師培訓營的一項教具製作分享，這是國立大甲高中的化學創新教具之一，本影片是由作者在國立大甲高中化學實驗室拍攝，並提供其製作的詳細過程。

影片網址：螺旋狀旋光彩虹管，https://youtu.be/JPkSNM8py-c。

n  簡介

左旋、右旋是日常活中常聽到的化學名詞，旋光是甚麼？如何觀察？這一切必須從光波談起。光波是一種電磁波，其中電場的振動方向稱為偏振方向；當偏振方向凌亂無序的太陽光通過偏光片時，若光波的偏振方向只朝著單獨一個方向，則稱此為「線偏振」（linear polarization）或「平面偏振」。當一平面線偏振的光線通過一個具光學活性的溶液時，偏振面會被偏轉一個角度，此現象即為旋光性（optical rotation）。圖1為旋光示意圖。

圖1：旋光現象示意圖

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_rotation）

若將一光學活性溶液（例如果糖溶液）放至在兩片偏光片之間時，平面偏振光的電場會被旋轉。當面向光源時，能使偏振面順時針方向旋轉的物質稱為右旋性（dextrorotatory），而使能使偏振面逆時針方向旋轉者稱為左旋性（levorotatory）。

旋轉量α與通過溶液的路徑長L（cm）成正比，亦與溶液的濃度C（g/mL）成正比；科學上將偏振光通過單位長度、單位濃度的旋轉量（）稱之為比旋（specific rotation，又稱旋光率），以符號表示不同溫度和不同波長λ的色光。同一旋光性物質，對不同波長的光有不同的比旋，通過的波長越短，溶液的比旋越大，此現象稱之為旋光色散（optical rotatory dispersion），表一為各種波長的比旋。

表1：蔗糖溶液在20℃的比旋（請見參考資料[2]）

旋光色散通常需要隔著偏光片用眼睛觀看，觀看的位置在溶液的上方或容器的側邊，因此需要往下或彎腰觀測，操作不易，本實驗將改變觀測方式，製作可攜式、容易觀測的教具，並透過散射（scatter）原理，讓學生直接於透明管中到螺旋狀旋光彩虹。

n  藥品與器材

毛筆用墨水 1滴、燒杯、玻棒、玉米糖漿 500 mL、果糖（2 M） 500 mL、透明壓克力管（外徑 45 mm）、壓克力圓板（直徑48 mm、65 mm各一片）、軸承（外徑47 mm、65 mm各一）、偏光片一片（10 cm Ï 10 cm）、圓規刀、A4大小厚紙板。

n  實驗步驟

一、旋光觀測器的設計與組裝

1.        取一光源（高流明度的Led頭燈作為光源），以雙面膠黏貼並固定在一片圓形發泡板上，置入一個粗口端2英吋且細口端1.5英吋的異徑接頭之底部（2英吋端），相關裝置如圖2所示。

 

圖2：光源的固定與安置

2.        在一片厚紙板上，以圓規刀切割出2個外徑47 mm且內徑30 mm的同心圓盤；將一片邊長約40 mm的偏光片，像三明治似地夾於兩紙圓盤中間，以雙面膠黏貼，用剪刀裁齊偏光片多餘的邊緣，備用。以雙面膠貼住偏光片外環紙材的上下兩部分，下部分黏貼一個外徑47 mm的軸承，作為起偏器，上部分預計黏貼一個透明壓克力圓管。最後將起偏器水平放入異徑接頭的細口端，相關組件如圖3所示。

 

圖3：偏光片的製作成品（左），起偏器的安置（右）

3.        取一直徑45 mm的透明壓克力管，先以快乾膠黏著一底徑48 mm的圓板封口，作為Faraday cell，再垂直放入異徑管中，並將另一軸承（外徑65 mm）套入壓克力管上端，於最上部軸承面上黏貼另一個偏光片作為檢偏器，最後放上一個直徑65 mm圓形壓克力板當旋光色散觀測面，相關組裝如4圖所示。

圖4：檢偏器安裝於壓克力管的上方

二、配製果糖溶液

1.        取一個250 mL的燒杯，盛入約100 mL的蒸餾水，加入一滴毛筆用墨水，以玻棒攪拌均勻成稀墨水，備用。

2.        取2個1000 mL的燒杯，各盛入約10 mL的稀墨水，分別加入2 M的果糖和玉米糖漿（高濃縮果糖），緩慢攪拌均勻，切勿生成氣泡，以免影響觀察，靜置一天後，備用。相關流程如圖5所示[3]：

 

圖5：溶液配製流程圖

三、看得見的旋光色散

1.        將上述調好的墨水和果糖溶液、墨水和玉米糖漿溶液分別到入壓克力管中，關閉室內燈光，開啟頭燈電源，隨即看到彩虹現身在壓克力管中的溶液之中。輕握此管，緩慢仔細地旋轉下方起偏器，觀察管中的彩虹變化。圖6為兩種不同濃度的果糖溶液在壓克力管中的彩虹變化。

 

圖6：2 M果糖（低濃度果糖）並未出現明顯彩虹（左），玉米糖漿（高果糖糖漿）中出現鮮豔的螺旋狀彩虹（右）

2.        用手輕輕地轉動檢偏器，觀察壓克力板上的顏色變化，並觀察兩種溶液的不同變化，圖7和8分別為觀察2 M果糖和玉米糖漿的顏色變化。

圖7：檢偏器的壓克力板上觀測2 M果糖的顏色

 

圖8：檢偏器的壓克力板上觀測玉米糖漿的顏色

n  原理與概念

當一平面偏振光通過光學活性的溶液時，平面偏振光會旋轉ㄧ個特定角度，旋轉的角度大小與溶液的濃度C、行進的路徑長度L、溫度T以及光波的波長λ有關，當濃度C、長度L、溫度T不變時，旋光量α就與波長λ有關，旋光量α大小與光波波長的平方成反比，我們稱之為旋光色散，此類似分光的現象，當旋轉檢偏器時（第二片偏光片），壓克力板上即可觀測到不同顏色的色光。

倘若想要觀測到明顯的螺旋狀旋光彩虹，必須加入少許的黑墨水，形成膠體溶液，利用光通過膠體溶液時所形成的廷得耳效應（Tyndall effect），使溶液中的膠體顆粒散射。當旋轉檢偏器在不同角度時，各種色光會被散射且旋轉，可以在路徑中看到螺旋狀的旋光彩虹，映入眼簾非常令人驚艷，圖9為用雷射光呈現廷得耳效應。

圖9：紫光雷射通過墨水─果糖溶液引起的廷得耳效應

在較稀的濃度下，壓克力管內隱約地可以看到被散射的色光，但並不明顯且不完整的彩虹。這是因為光的旋轉量與溶液的濃度呈正相關，越濃稠的果糖溶液，光的旋轉量越大，越容易看到被散射的各種色光。本實驗使用高濃度的果糖糖漿即可觀察到多色的且完整的螺旋狀旋光彩虹。這現象可用彈簧的壓縮與伸張來類比說明，用雙手拿著彈簧的兩端，當兩支手反向用力轉動彈簧時，彈簧會因扭力而顯得更壓縮、密集，這如同高濃度果糖在管中可以觀察到多色的且完整的彩虹；若在等長的管徑中裝稀薄的果糖溶液，則彩虹的出現就像被拉開的彈簧，無法在管中呈現多色的且完整的彩虹。

本螺旋狀旋光彩虹管的設計，因高果糖糖漿─墨水溶液會吸收大量光線，阻礙光的前進，因此需要使用高流明度的光源，過去是使用高亮度的鹵素燈泡投影機[3]，但現今投影機已經被液晶投影機取代，中小學校已經不再使用了。幸運地高亮度LED照明的發展彌補了這方面的缺失，本次實驗就是採用美國CREE的LED為光源，使用18650鋰充電池，讓亮度達到1200流明，也讓這個實驗的驚艷結果得以更方便、更輕巧的方式帶到教室讓學生看到。

n  未來發展

事實上，「旋光特性」在中學的化學課程中並無著墨，僅出現在學生的科展、小論文之中。受制於環境、設備，大部分的師生都很難觀看到螺旋狀旋光彩虹，更遑論理解「旋光」的現象。本實驗設計克服一些困難，以簡單的生活日常中的五金材料為元件，設計出方便攜帶、輕鬆觀察的教具，協助教師以實驗代替講述，將艱澀、不易完整解釋的旋光原理，說清楚講明白。相信螺旋狀旋光彩虹管可再精進，改良成廉價的旋光檢測儀，進而推廣到中學的現場教學，輕鬆地使用這樣的儀器，激發學生的學習興趣，提升學生的學習成效。

n  安全注意及廢棄物處理

本實驗溶液無毒性，可完全回收再利用。

n  參考資料

1.      Optical rotation, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_rotation.

2.      Bassam Z. Shakhashiri, Chemical Demonstration, Vol. 3, The university of Wisconsin press (1989), pp. 386~389.

3.      Bassam Z. Shakhashiri, Chemical Demonstration, Vol. 5, The university of Wisconsin press (2011), pp. 163-165.

4.      葡萄糖旋光性（Rotation of polarization），取自中央大學物理系光學物理實驗室實驗講義，http://uep.phy.ncu.edu.tw/content/optics-physics/expcourse/pdf6.pdf。