ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ.

Некоторые вещества обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными. Оптическая активность наблюдается у ряда кристаллических и аморфных тел. В частности, оптически активны кварц, сахар, раствор сахара в воде, скипидар и другие.

Угол поворота j пропорционален пути луча в веществе d и концентрации активной компоненты вещества С:

Здесь [a]- удельная вращательная способность, численно равная углу поворота на единицу длины пути при концентрации, равной единице. Эта физическая величина зависит от длины волны (как ~

), практически не зависит от агрегатного состояния вещества и слабо зависит от температуры.

Как правило, оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающие и левовращающие, При этом численное значение удельной вращательной способности одинаково для обеих разновидностей.

Объяснение явления вращения плоскости поляризации впервые было дано Френелем. В соответствии с его теорией любую линейно поляризованную волну можно разложить на две волны, поляризованных по кругу, с правым и левым вращением. Пусть в начальный момент времени поляризации этих волн совпадают, например, расположены вертикально (см. рис.12,а). Далее плоскости поляризации будут вращаться в противоположных направлениях с одной и той же угловой скоростью. При этом сумма векторов Е этих волн всегда будет направлена вертикально и неизменна по величине. Это видно из геометрического построения, приведенного на рис.12,а. Это и есть линейно поляризованное колебание.

. Френель предположил, что в оптически активном веществе скорость распространения волны, поляризованной по левому кругу, отлична от скорости волны, поляризованной по правому.

При этом время, необходимое каждой волне для прохождения одного и того же участка d активной среды различно:

. Следовательно, векторы Е1 и Е2 к моменту выхода из активной среды повернутся вокруг направления распространения света на разные углы j1 и j2. Таким образом, результирующий вектор Е на выходе из активного вещества окажется повернутым на угол j относительно своего положения на входе в активную среду.

Рис.12 б) иллюстрирует этот факт для случая, когда

. В этом случае вектор Е1 в волне, поляризованной по левому кругу успеет повернуться на меньший угол, чем вектор Е2 в волне, поляризованной по правому кругу. Учитывая, что результирующий вектор Е должен составлять равные углы с векторами Е1 и E2 можно записать (рис. 126): j + j1=j2-j. Откуда следует

(12)

где l- длина волны света, n1 и n2- показатели преломления для волн с левым и правым вращением светового вектора.

Если n2>n1, плоскость поляризации поворачивается вправо (как на рис. 26); если n1> n2 - влево.

Отметим, что теория Френеля, описывая формально вращение плоскости поляризации, не объясняет, почему скорость света в веществе может быть связана с характером поляризации волны.

Причина зависимости скорости волны от направления вращения поляризации связана с асимметрией строения молекул оптически активных веществ.

Явление вращения плоскости поляризации широко используется для исследования особенностей строения вещества и определения, концентрации оптически активных веществ в растворах. Приборы, предназначенные для измерения величины угла плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметр, применяемый для определения концентрации сахара в растворе путем измерения угла вращения плоскости поляризации, называется сахариметром.

Явление вращения плоскости поляризации является ценным методом исследования структуры и свойств полимеров- белков, нуклеиновых кислот. Они, как правило, имеют спиральные структуры и являются оптически активными, причем вращение вдоль и поперек спирали существенно различно.

Отметим, что оптическая активность сильно меняется при различных структурных изменениях биополимеров, например, при сворачивании спирали в клубки.

Метод вращения плоскости поляризации также важен при исследованиях структуры и свойств различных молекул, и в особенности в стереохимии- учении о пространственном строении молекул.

В данной работе используется прибор, называемый сахариметром (рис.15). Его основные части: два николя N1 и N2, находящиеся в металлической трубке, поддерживаемой штативом. На николь N1 падает естественный свет от источника. Поляризованный луч света падает на николь N2, который может поворачиваться при помощи кремальеры вокруг оси прибора. Углы поворота николя N2 отсчитываются при помощи нониуса по разделенному градусному лимбу. Пусть эти два николя перекрещены и не пропускают света; поместим между ними раствор оптически активного вещества (раствор сахара). Тогда плоскость колебаний поляризованного луча, вышедшего из николя N1, при прохождении раствора сахара повернется на некоторый угол j. Плоскость колебаний луча, падающего на николь N2, уже не будет перпендикулярна его главному сечению; через николь N2 будет частично проходить свет. Чтобы николь N2 опять не пропускал свет, его надо повернуть на некоторый угол j вслед за повернутой плоскостью луча, прошедшего через оптически активный раствор.

Однако, человеческий глаз не может с достаточной точностью отметить положение анализатора, которое соответствует полному затемнению. Поэтому в поляризаторе дополнительно применяется так называемое полутеневое устройство 4, которое позволяет фиксировать не абсолютную освещенность поля зрения, а равенство освещенностей двух его половин, что в силу физиологических особенностей зрения устанавливается гораздо точнее, особенно при малой интенсивности. Полутеневая пластинка 4 состоит из двух половинок (Рис.14,а): стеклянной С и кварцевой К; АВ - граница раздела стекла и кварца.

Если на пластинку падает линейно поляризованный свет с плоскостью колебаний РР, то в той части светового потока, которая пройдет через стекло плоскость колебаний не изменится (луч 1), а в той. что пройдет через кварц (луч 2) окажется повернутой на некоторый небольшой угол (плоскость Р1Р!) Если оба луча затем пропустить через анализатор, у которого плоскость пропускания N2 перпендикулярна РР (рис. 146), то свет, проходящий через стеклянную половину пластины будет полностью поглощен, а кварцевая половина будет слабо освещена. Если анализатор расположен так, что его плоскость пропускания N2¢ будет перпендикулярна плоскости Р1Р1, то затемненной окажется кварцевая половина, а стеклянная просветленной. Чтобы обе половины поля зрения были освещены одинаково, анализатор надо повернуть таким образом, чтобы плоскости колебаний РР и Р1Р1 составляли бы одинаковые углы с плоскостью пропускания анализатора. На рис.14в это положения N2 и N1¢. Положение плоскости пропускания N2 предпочтительнее, так как оно соответствует меньшей освещенности обеих половин поля зрения.

До начала работы прибор настраивается на одинаковую освещенность обеих половин поля зрения зрительной трубы 5 (рис. 13). При установке кюветы б с раствором активного вещества между поляризатором и анализатором нарушается равенство освещенности половин поля зрения, так как раствор поворачивает плоскость поляризации. Для уравнивания освещенностей в сахариметре применяется кварцевый компенсатор, состоящий из большого кварцевого клина левого вращения 7, контрклина 8 и малого кварцевого клина правого вращения 9. Так как раствор сахара вращает плоскость поляризации вправо, то перемещением большого клина относительно малого подбирают требуемую толщину кварцевой пластинки для компенсации угла поворота плоскости поляризации. Одновременно с большим клином перемещается шкала 10. По нулевому делению нониуса II фиксируют значение шкалы, соответствующее одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Шкала и нониус наблюдаются через лупу 12 и освещаются электролампой через отражательную призму 13 и светофильтр 14.

Упражнение 1. Определение удельной вращательной способности. 1. Установить окуляр поля зрения и лупу шкалы поляриметра так, чтобы четко была видна вертикальная линия, разделяющая поле зрения, а также ясно были видны штрихи и цифры шкалы и нониуса.

2. Произвести установку поляризатора на нуль. Медленно вращая головку кремальерной передачи, добиться полной однородности обоих половин поля зрения и взять отсчет по шкале с помощью нониуса. Затем сбить установку и вновь все повторить. Так проделать 5-7 раз. При этом нулевые деления шкалы и нониуса в среднем должны совпадать. Если совпадения нет, определяют фактическое нулевое деление прибора и находят среднее значение поправки Dj, которая добавляется с соответствующим знаком ко всем последующим значениям углов по шкале прибора.

3. В камеру поместить кювету с раствором сахара известной концентрации.

Из-за вращения плоскости поляризации света раствором равномерная освещенность поля зрения окажется нарушенной. При помощи кремальерной передачи нужно вновь добиться равной освещенности обеих половин поля зрения и произвести отсчет угла j по шкале и нониусу. Установку на равную освещенность произвести несколько раз. Определить среднее значение угла поворота плоскости поляризации раствором сахара заданной концентрации С.

4. Измерить толщину слоя d раствора. Вычислить по формуле (11) удельную вращательную способность сахара.

Упражнение 2. Определение концентрации раствора сахара.

2. В камеру поместить трубку с раствором сахара неизвестной концентрации Сх и аналогичным образом измерить угол поворота плоскости поляризации jх.

8. Определить неизвестную концентрацию, пользуясь формулой (11) и результатами предыдущего упражнения.

1. Дайте определение естественного и поляризованного луча света.

3. Запишите формулу (и объясните обозначения) для угла поворота плоскости колебаний луча оптически активными веществами.

4. Объясните вращение плоскости поляризации оптически активными веществами.

5. От чего зависит коэффициент удельного вращения?

6. Могут ли две волны поляризованные по кругу при наложении дать линейно поляризованный свет?

7. Чем различаются естественный свет и свет поляризованный по кругу (эллипсу)?

8. Начертите основные детали сахариметра, назовите их. Объясните назначение каждой детали.

Определение концентрации растворов фотоэлектрическим концентрационным колориметром.

Цель работы: изучить устройство фотоэлектрического концентрационного колориметра и освоить колориметрический метод определения концентраций и оптических плотностей жидкостных растворов.

Приборы: фотоэлектрический концентрационный колориметр КФП-2МП, эталонные и исследуемый растворы CuSO4.

Пусть через однородное вещество распространяется пучок параллельных световых лучей. Выделим в веществе бесконечно тонкий слой dх (рис. 1), ограниченный параллельными поверхностями, перпендикулярными к лучам. Плотность потока энергии при прохождении света сквозь этот слой изменяется на величину –dI (знак «минус» говорит о том, что плотность потока энергии уменьшается).

Явления поглощения света веществом объясняется с точки зрения электромагнитной теории света следующим образом. Падающая на вещество электромагнитная световая волна имеет частоту 1014 – 1015 Гц. С такой частотой в веществе смогут колебаться только электроны, так как ионы слишком велики и при таких частотах не успевают смещаться под действием переменного электромагнитного поля. В результате колебания электронов возникают вторичные электромагнитные волны той же частоты: отраженные и преломленные, частично же энергия падающей электромагнитной волны переходит в энергии движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества. Вынужденные колебания электронов, а следовательно и поглощение света, становятся особенно интенсивными при резонансной частоте.

Поглощением света называется уменьшение энергии световой волны, происходящее по мере проникновения ее вглубь вещества. Для количественной оценки поглощения света введем понятие интенсивности света (I). Интенсивностью света или плотностью потока энергии назовем количество энергии ежесекундно переносимое светом через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к лучам

S^ - площадь, на которую падают электромагнитные волны

Закон поглощения света веществом можно вывести не рассматривая внутреннего механизма взаимодействия света с веществом.

Очевидно, dI пропорционально плотности потока энергии Iх, принесенного волной к данному слою, а также толщине слоя вещества dx, т.е.

Коэффициент kl зависит от длины световой волны, падающего света и химической природы поглощающего вещества, и называется коэффициентом поглощения. Пусть а – полная толщина слоя вещества. Iо и I – плотность потока энергии, падающей на вещество и вышедшей из него. Уравнение (2) – дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Перенесем Iх в уравнении (2) в левую часть и проинтегрируем полученное выражение

Это экспоненциальный закон поглощения света – закон Бугера.

Коэффициент поглощения кl - это величина, обратная толщине слоя а, на котором интенсивность света уменьшается в е раз. Коэффициент поглощения в области видимого света для воздуха к_l = 10^-6см^-1, для воды 2·10^-3см-1, для металлов к_l имеет порядок десятков тысяч – 10³-10⁴см-^1.

Большое значение для медицины имеет изучение поглощения света в растворах. В этом случае поглощение зависит также и от концентрации вещества в растворе. Закон поглощения с учетом концентрации раствора, называемый законом Бугера-Ламберта-Бера, записывается в виде:

где e - молекулярный коэффициент поглощения (к=eс), зависящий от природы молекул растворенного вещества, от длины волны света и температуры раствора; с - концентрация раствора; а – толщина слоя раствора. Закон Бугера-Ламберта-Бера (4) справедлив при условии, что растворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию.

Для некоторых практических расчетов наиболее удобно выражение закона Бугера (3) через десятичные логарифмы

При оптической плотности D= 1 пропускание Т = 0,1 = 10%, при оптической плотности D= 2 пропускание Т = 0,01 = 1% и т.д. с увеличением оптической плотности пропускание света уменьшается по закону, выраженному соотношением (6).

Диэлектрики слабо поглощают свет. В диэлектрике все электроны связаны: они колеблются с собственной частотой w0 и «раскачать» их падающей волне трудно. Однако в том случае, когда частота падающей световой волны w близка к частоте собственных колебаний электрона w»w0 (резонанс), амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает, возрастает и коэффициент поглощения. Таким образом, поглощение света в диэлектрике имеет селективный (избирательный) характер (рис. 2)

Зависимость кl от l представляет собой кривую с рядом максимумов: максимумы представляют собой полосы поглощения веществом света для определенного интервала длин волн. Например «красным» является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи, и хорошо поглощающие синие, зеленые и фиолетовые лучи. Если красное стекло осветить синим светом, то оно будет казаться «черным», т.к. синие лучи хорошо поглощаются красным спектром. Зависимость оптической плотности (или коэффициента поглощения) вещества (например, раствора) от длины волны l называется спектральной характеристикой вещества (раствора).

Для измерения оптической плотности вещества, концентрации растворов и для изучения спектральной характеристики растворов используется прибор, называемый фотоэлектрический концентрационный колориметр. Колориметр позволяет производить также измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете.

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока Фо=Wо/t, прошедшего через растворитель, по отношению к которому производится измерение, и потока Ф=W/t, прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки Фо и Ф фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы Ио и И, которые обрабатываются микро-ЭВМ колориметра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации.

С помощью микро-ЭВМ рассчитывается коэффициент пропускания Т исследуемого раствора по формуле

Где Ut – величина сигнала при перекрытом световом потоке.

Оптическая плотность исследуемого раствора рассчитывается по формуле:

Измерение концентрации исследуемого раствора на колориметре возможно при соблюдении основного закона светопоглощения, т.е. при линейной зависимости оптической плотности D исследуемого раствора от концентрации (см(5') и (4)).

Концентрация исследуемого раствора рассчитывается по формулам:

где Со и b – коэффициенты, определяемые по градуировочной характеристике.

Градуировочная характеристика составляется исследованием по набору растворов с известной концентрацией.

Общий вид колориметра изображен на рис.3. Колориметр состоит из колориметрического 1 (рис.3) и вычислительного 2 блоков и блока питания. На задней панели колориметра имеется электрошнур с вилкой для включения в сеть, предохранитель и выключатель сетевого напряжения (тумблер).

В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 6 (рис.3). Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется.

5 – кюветное отделение, ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется поворотом ручки 4 (рис.3) до упора влево или вправо (положение «1» или «2»). В положении «1» в световой пучок вводится кювета с растворителем, в положении «2» – в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается крышкой 5.

При открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой пучок.

Переключение фотоприемников осуществляется с помощью ручки 3 (рис3).

В вычислительный блок 2 (рис.3) входит система микро - процессорная (МПС) «Электроника МС2703».

На передней панели МПС расположена клавиатура, цифровое табло и два сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24 клавиш. Клавиша «Пуск» предназначена для запуска микропроцессорной системы. Клавиши «b» и «С» предназначены для вызова на цифровое табло из памяти МПС значений соответствующих коэффициентов для их контроля и ввода новых значений. Клавиша «СБР» предназначена для стирания значения вызванного коэффициента (в случае необходимости задания нового значения).

Клавиши «0», «1-9», «-», «,» предназначены для набора на цифровом табло МПС нового значения коэффициентов «b» и «С» = Со.

Клавиша «УТВ» предназначена для записи в память МПС нового значения коэффициента «В» или «С», набранного на цифровом табло.

Клавиши «К(1)», «t(2)», «Д(5)» предназначены для выполнения калибровки прибора, измерений коэффициента пропускания, оптической плотности исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе.

Клавиша «А(3)» предназначена для измерения активности.

Клавиша «Ц/Р» предназначена для перевода МПС в один из двух режимов выполнения измерений: режим одиночных измерений и режим циклических измерений. В режиме одиночных измерений измерения, выполняются один раз при нажатии соответствующей клавиши; в режиме циклических измерений первое измерение производится при нажатии соответствующей клавиши и затем повторяется циклически с периодом 5с до тех пор, пока МПС не будет переведена в режим выполнения одиночных измерений. Перевод МПС из режима циклических измерений в режим одиночных и обратно происходит при нажатии клавиши Ц/Р. Сигнальный светодиод «Ц» и сигнальный светодиод «Р» служат для определения режима измерения, в режиме одиночных измерений горит светодиод «Р», в противном случае горит светодиод «Ц». Цифровое табло состоит из 6-ти индикаторов. Первый индикатор служит для отображения одного из символов «3», «2», «1», «4», «5», «0» появляющегося при нажатии одной из клавиш «А(3)», «t(2)», «К(1)», «С(4)», «Д(5)» соответственно и при измерении «нулевого отсчета» n0.

Индикаторы 2-6 служат для вывода результатов измерений и значений параметров «С» и «b».

Клавиша «Ш(0)» МПС предназначена для проверки (измерения) «нулевого отсчета» n0.

1.Снятие спектральной характеристики раствора.

Для того, чтобы построить кривую зависимости оптической плотности раствора от длины световой волны (спектральная характеристика раствора) нужно определить оптическую плотность данного раствора в различных участках спектра, выделяемых светофильтрами колориметра. Светофильтры в ход световых лучей вводятся ручкой 6 (рис.3).

При измерении со светофильтрами 315, 340, 400, 440, 490, 540 нм ручку 3 (рис.3) установить в положение «315-540».

При измерении со светофильтрами 590, 670, 750 и т.д. ручку 3 (рис.3) установить в положение «590-980».

После смены светофильтра, а также после нахождения колориметра при открытой крышке кюветного отделения длительное время (более 5 мин.), измерения начинают после 5-ти минутной выдержки фотоприемника в освещенном состоянии, т.е. при закрытой крышке кюветного отделения.

1. Подсоединить колориметр к сети 220 В. Открыть крышку кюветного отделения и включить тумблер «Сеть», при этом должна загореться сигнальная лампочка (на цифровом табло могут появиться различные символы).

2. Нажать клавишу «Пуск» – на цифровом табло появится мигающая запятая и горит индикатор «Р». Если запятая не появилась – повторно нажмите клавишу «Пуск». Выдержать колориметр при включенном состоянии в течение 15 минут при открытой крышке кюветного отделения. Измерение и учет «нулевого отсчета» n0 производится при помощи клавиши «Ш(0)» МПС. Перед измерением «нулевого отсчета» n0 крышку кюветного отделения закрыть и открыть. По истечении 5с нажать клавишу «Ш(0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение п0, а слева – символ «0». Значение n0 должно быть не менее 0.001 и не более 1.000.

3. В кюветное отделение установить кюветы с растворителем и исследуемым раствором. Кювету с растворителем установить в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювету с исследуемым раствором в ближнее гнездо кюветодержателя. Ручкой 6 установить необходимый светофильтр, ручкой 3 – нужный фотоприемник (рис. 3). Начинают со светофильтра 315 нм.

4. Ручку 4 (рис.3) установить в положение «1» (в световой поток вводится кювета с растворителем).

5. Закрыть крышку кюветного отделения, нажать клавишу «К(1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорается символ «1».

6. Затем ручку 4 (рис.3) установить в положение «2» (в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором).

7. Нажать клавишу «Д(5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ «5», означающий, что произошло измерение оптической плотности. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует оптической плотности исследуемого раствора.

8. Операцию по п-п 4-7 повторить 3 раза. Оптическую плотность определить как среднее арифметическое из полученных значений.

9. Ручкой 6 (рис.3) установить следующий светофильтр.

11. Светофильтры меняют от 315 до 740 нм (при включении светофильтра 590 нм переключите фотоприемник ручкой 3).

12. Строят кривую зависимости оптической плотности раствора от длины волны, которая является спектральной характеристикой данного раствора.

2. Определение концентрации раствора медного купороса.

При измерении концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность в работе:

построение градуированного графика для данного вещества и определения коэффициентов «С» и «b»;

введение коэффициентов «С» и «b» в память вычислительного блока;

На графике зависимости оптической плотности раствора от длины волны, полученном в 1-ом упражнении, отметить тот участок кривой, для которого выполняются следующие условия:

а) оптическая плотность имеет максимальную величину;

б) ход кривой примерно параллелен горизонтальной оси, т.е. оптическая плотность мало зависит от длины волны (для некоторых растворов это условие может на выполнятся, тогда при выборе светофильтра ограничиваются выполнением первого условия).

Светофильтр для работы выбрать так, чтобы длина волны приходилась на отмеченный выше участок спектральной кривой испытуемого раствора.

Относительная погрешность измерения оптической плотности раствора достигает минимума при значении оптической плотности 0.4. Поэтому при работе на колориметре рекомендуется путем соответствующего выбора кювет, работать вблизи указанного значения оптической плотности.

1. Предварительный выбор кювет проводится визуально, соответственно интенсивности окраски раствора. Если раствор интенсивно окрашен (темный), следует пользоваться кюветами с длиной 1-3 мм. В случае слабо окрашенных растворов рекомендуется работать с кюветами с большой длиной (30-100 мм).

В предварительно подобранную кювету налить раствор средней концентрации (допустим у Вас растворы 1%, 2%, 5% и 10%, то нужно взять 5% раствор) и измерить его оптическую плотность, введя в ход лучей соответствующий светофильтр, выбранный в §1. Если полученное значение оптической плотности составляет примерно 0,3-0,5, то можно выбрать данную кювету для работы.

§ 3. Построение градуированного графика для данного вещества и определение коэффициентов «С» и «b».

1. Приготовить ряд растворов данного вещества с известными концентрациями.

2. Измерить оптические плотности всех известных растворов и построить градуированный график, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной – соответствующие им значения оптической плотности.

3. По градуированному графику определить коэффициенты «с» и «b»

«С»=Со – значение оптической плотности при С=0, т.е. при пересечении градуированного графика с осью оптической плотности Д

Сi и Дi – текущая точка градуированного графика.

4. Ввести в память вычислительного блока коэффициенты «С» и «b». Для этого нажать клавиши «С» («b»), СБР, на цифровом табло высвечивается символ «С» («b») слева от мигающей запятой, набрать с помощью клавиатуры значение коэффициента «С» («b»). На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение коэффициента. Затем нажать клавишу УТВ – информация на цифровом табло исчезнет.

5. В кюветное отделение установить кювету с исследуемым раствором. Ручку 4 (рис. 4) установить в положение «1», закрыть кюветное отделение, нажать клавишу «К(1)», на цифровом табло слева от мигающей запятой загорается «1», затем ручку 4 (рис. 4) установить в положении «2».

6. Нажать клавишу «С(4)». На табло слева от мигающей запятой появляется символ «4», означающий, что произошло измерение концентрации исследуемого раствора.

7. П. 5-6 повторить 3 раза, концентрацию исследуемого раствора найти как среднее арифметическое.

3. Объясните физический смысл коэффициента поглощения.

4. Напишите закон Бугера-Ламберта-Бера, поясните величины, входящие в формулу.

6. Как изменяется величина пропускания Т при увеличении оптической плотности вещества.

7. За счет чего можно увеличить оптическую плотность раствора.

8. Для каких длин волн оптическая плотность раствора будет максимальной.

9. Объясните процесс поглощения с молекулярной точки зрения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА.

Цель работы: 1. Ознакомиться с законами теплового излучения.

2. Научиться измерять температуру раскаленных тел.

3. Подсчитать постоянные Стефана-Больцмана и
Планка.
Приборы: оптический пирометр с исчезающей нитью, лампа накаливания, источник питания.

Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии. Самыми распространенными являются свечения тел, обусловленные их нагреванием. Этот вид свечения называют тепловым. Тепловое излучение имеет место при любой температуре, но при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны. Тепловое излучение является единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами. Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающими телами обусловлена тем, что его интенсивность возрастает при повышении температуры.

Предположим, что на какое-нибудь тело (рис.1) падает поток излучения Ф0. Часть этого потока Фотр. отражается от поверхности обратно, часть потока при небольшой толщине тела пройдет и за телом будет наблюдаться поток излучения Фпрох., часть потока поглотится и превратится в другие энергии (в конечном счете в тепло). Составим уравнение энергетического баланса

Разделив на Ф0, получим сумму безразмерных коэффициентов

где r=Фотр/Ф0 -коэффициент отражения, а=Фпогл / Ф0 -коэффициент поглощения, b=Фпрох /Ф0 -коэффициент пропускания.
При достаточной толщине любое тело становиться непрозрачным, поэтому ограничиваемся случаем, когда b=0, тогда

Коэффициенты отражения и поглощения, как отражательная и поглощательная способность тела однозначно связаны друг с другом, зависят от строения и состояния тела, от характера обработки поверхности. Кроме того, максимальный эффект отражения и поглощения электромагнитных волн, падающих на тело, наблюдается в области резонансных частот (в области совпадения собственных частот колебаний электрических зарядов составляющих тело, с частотой падающей электромагнитной волны). Следовательно, отражательная и поглощательная способность тела являются функциями длины волны l, а также абсолютной температуры тела Т. Итак:

Рассмотрим частные случаи. Пусть тело полностью отражает все падающие на него лучи, т.е. аlТ=0 и rlТ=1.Такое тело называем абсолютно белым и оно окрашено в цвет луча, которым освещено. Так, белое платье, освещенное лучом розового цвета, кажется розовым.

Если rl,Т

=0, а alТ=1, то тело поглощает все падающие на него лучи, такое тело называется абсолютно черным. Примером является сажа, для нее al,Т = 0,99. И, наконец, тело, для которого поглощательная способность меньше 1, но постоянна во всем интервале длин волн, называется серым:

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СВЕТИМОСТЬ. ЛУЧЕИСПУСКАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ. ЗАКОН КИРХГОФА.

Как уже отмечалось, тела наряду с отражением и поглощением способны испускать электромагнитные волны. Интенсивность теплового излучения принято характеризовать величиной потока энергии, испускаемого единицей поверхности излучающего тела во всех направлениях:

где E- излучаемая энергия, S- излучаемая поверхность, t- время излучения. Величину Rт- называют энергетической светимостью и она является функцией температуры. Излучение состоит из волн различных частот n или длин волн l. Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале длин l¸l+dl, через dRl,т.

При малом интервале dl поток dRl,Т будет пропорционален
dRl,Т= rl,Т dl. (6)

Величина rl,Т называется спектральной плотностью энергетической светимости или лучеиспускательной способностью. Длины волн меняются для электромагнитного излучения от нуля до бесконечности, следовательно:
RТ=

l,Т =

rl,Тdl (7)

Вид спектральной характеристики теплового излучения – лучеиспускательной способности то длины волны – приведен на рис. 2, для некоторой температуры Т. Энергетическая светимость RТ на рис.2 – это площадь под кривой.

Спектральной характеристикой теплового излучения является и поглощательная способность тела al,Т. Поглощательная способность тела показывает какая доля энергии излучения Е, падающая за единицу времени на единицу площади поверхности тела в интервале длин волн от l до l+ dl поглощается телом.

Величина лучеиспускательной rl,Т и поглощательной al,Т способностей отдельно взятые, могут меняться при переходе от одного тела к другому, даже если тела находятся при одинаковых условиях, но отношение rl,Т /al,Т не зависит от материала тела, оно является для всех тел одной и той ж

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: