optika-1

сахаpиметpом. Оптическая схема и принцип действия сахариметра рассматриватся в экспериментальной части данной pаботы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.Устройство и принцип действия поляриметра типа СМ-3

Внастоящей лабораторной работе используется серийный поляриметр типа СМ-3, который в диапазоне от 0° до 35° имеет погpешность измеpений не более 0.04°. Диапазон показаний угла вpащения плоскости поляpизации от 0° до 360°. Чувствительность поляpиметpа - 0.04°. Оптическая схема поляpиметpа (сахаpиметpа) пpиведена на pис. 7.

Рис.7.

Оптическая пpинципиальная схема включает в себя: лампу накаливания (ДHаС 18-04.2) - 1, светофильтp - 2, конденсор - 3, поляpизатоp - 4, хpоматическую кваpцевую пластинку - 5, кювету с исследуемым pаствоpом - 6, анализатоp - 7, обьектив - 8, окуляp - 9 и две лупы - 10.

В круговом поляриметре СМ-3 применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части поля зрения. Этот принцип применяется потому, что глаза человека (их рецепторы) не способны оценивать освещенность поля зрения количественно. Они обладают высокой чувствительностью "в режиме сравнения", т.е. хорошо чувствуют контраст, различие в освещенности частей поля зрения. В поляриметрах (сахариметрах) учтено это свойство глаза человека: в этих приборах используется принцип выравнивания яркостей двух частей поля зрения, что позволяет существенно увеличить точность (воспроизводимость) результатов измерений. Яркость полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Плоскости поляризации поляризатора и анализатора при равенстве минимальных яркостей полей сравнения составляют угол 86,5°. Свет от лампы 1 (естественный свет) попадает на светофильтр 2, выделяющий узкий интервал длин волн из сплошного спектра лампы и позволяющий избежать явления вращательной дисперсии. Далее световой поток проходит через конденсор 3 (устройство, собирающее рассеянное излучение в параллельный световой пучок) и поляризатор 4, который, уменьшая интенсивность падающего на него света в два раза, преобразует естественный свет в плоско-поляризованный. Далее часть (половина поля зрения) монохроматического, плоско-поляризованного светового потока проходит через хроматическую кварцевую пластину 5, поворачивающую плоскость поляризации на некоторый угол, кювету с растворителем 6 и анализатор 7. Другая часть светового потока проходит только через кювету и анализатор. Выравнивание освещенности полей сравнения производится путем вращения анализатора. Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оп-

41

тически активным раствором, то равенство яркостей полей нарушится. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол , равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Следовательно, измерения углапроизводят по разности двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него. По этим двум отсчетам определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

2. Определение удельного вращения сахара

Разместить в приборе между поляризатором и анализатором кювету с растворителем (дистиллированная вода). Установить окуляр так, чтобы была ясно видна линия раздела поля зрения; затем привести анализатор в нулевое положение, при котором обе половинки поля зрения имеют одинаковое затемнение. Сделав соответствующий отсчет по шкале, повернуть анализатор немного в сторону, вновь привести его в нулевое положение и сделать новый отсчет по шкале. Эту операцию повторить несколько раз, после чего найти среднее нулевое положение анализатора на шкале ϕр.

Поместить кювету с раствором сахара известной концентрации в кюветное отделение сахариметра и повернуть анализатор настолько, чтобы получить равенство затемнения обеих половинок поля зрения. Произвести отсчет по шкале прибора. Эту операцию повторить несколько раз, всякий раз отводя анализатор в сторону и приводя его опять в исходное положение. Взяв среднее значение из измеренных отсчетов, определить угол ϕр, на который плоскость поляризации была повернута раствором.

Из полученных результатов вычислить удельное вращение сахара. При этом толщина слоя L измеряется в дециметрах, а концентрация С - в граммах вещества, заключенного в 1 см3. С учетом формулы (3) величина α определится как

Повторить измерения и вычисления для ряда растворов сахара с известными концентрациями. Найти среднее значение удельного вращения сахара αсред.

3. Определение концентрации сахара в растворе

Провести измерения, подобные заданию 2, для раствора с неизвестной концентрацией сахара. По измеренным величинам ( ϕр - ϕ0 ) и L, с использованием найденной в задании 2 величины αсред найти концентрацию сахара в растворе по формуле:

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Основные представления о световой волне.

42

2. Поляризованный и неполяризованный свет. Виды поляризации света: плоскополяризованный свет, линейно-поляризованный свет, свет с круговой поляризацией, свет с эллиптической поляризацией.

3.Испускание света нагретым телом. Естественный (неполяризованный) свет.

4.Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков. Закон Брюстера.

7.Оптически активные вещества, их разновидности.

8.Зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации вещества

врастворе. Удельное вращение.

10.Вращательная дисперсия. Закон Био.

11.Применение поляризованного света в медико-биологических исследованиях.

12.Оптическая схема сахариметра. Назначение его элементов.

13.Методика определения удельного вращения и концентрации сахара в водных растворах с помощью сахариметра.

ЛИТЕРАТУРА

1.Методическое руководство к лабораторным занятиям "Оптические методы и аппаратура для биомедицинских исследований", лабораторная работа 3.

2.Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. М.: Высш. шк., 1982. С.315-322.

3.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высш. шк., 1987. С.439-448.

4.Ливенцев Н.М. Курс физики для медицинских институтов. М.:Высш. шк., 1978. Т.1. С.242-248.

43

Представления о строении электронных оболочек атомов и молекул базируются на законах квантовой механики. Первоначально в основу этих представлений были положены постулаты Бора.

Первый постулат:

Атомы и молекулы могут длительно пребывать в определенных стационарных состояниях, в которых они не излучают и не поглощают энергию. Таким стационарным состояниям соответствуют устойчивые (стационарные) орбиты, по которым движутся электроны.

Второй постулат:

При движении электрона по круговой стационарной орбите радиуса r момент количества движения электрона mvr кратен величине h / 2π :

где n=1,2,3...;

m - масса электрона;

vn - линейная скорость движения электрона по n-ой орбите; rn - радиус n-ой орбиты электрона;

h - постоянная Планка.

Третий постулат:

Переход электрона с одной стационарной орбиты на другую сопровождается поглощением или излучением кванта энергии E = hν. Величина кванта энергии E равна разности энергии En и Ei стационарных состояний атома до и после поглощения (или излучения) кванта, т.е.

Если En > Ei , то происходит излучение кванта энергии; случай En < Ei соответствует поглощению кванта. Из (2) можно получить величину частоты излучаемого или поглощаемого света:

В (2) и (3) величины n и i - номера дискретных орбит, соответствующих состояниям электрона с энергиями En и Ei . Набор этих дискретных значений энергии электрона в атоме графически изображается в виде системы энергетических уровней атома (диаграмма на рис.1). Из рис.1 видно, что с увеличением номера уровня (орбитали) n энергия электрона в атоме, а следовательно, энергия самого атома возрастает, оставаясь отрицательной. Состояние, соответствующее n = 1, называется основным состоянием атома, все остальные состояния - возбужденные.

45

Рис. 1.

Для простоты рассмотрим особенности рис.1 на примере простейшего атома

– атома водорода. Из теории атома водорода следует выражение для энергии электрона, находящегося на n-й орбите (вывод формулы см. в учебнике Ливенцева Н.М.):

где e и m - заряд и масса электрона соответственно; знак минус означает, что энергия электрона в атоме (связанного электрона) всегда меньше энергии свободного электрона (вне атома). При этом энергия электрона в момент его отрыва от атома принимается за нуль, тогда энергия свободного электрона положительна, а связанного - отрицательна. Последнее отражено на рис.1 - начало координат совпадает с En = 0.

Заметим, что все величины, входящие в формулу (4), являются константами, кроме n - номера орбитали, причем с увеличением n энергия En возрастает (с учетом знака). Кроме того, из (4) путем дифференцирования легко показать, что с увеличением n расстояние между уровнями E уменьшается, и при n = ∞ уровни сливаются в сплошную область, для которой энергия электрона не является дискретной (свободный электрон). Последние два вывода о возрастании En и уменьшении E с увеличением n, следующие из (4), также отражены на рис.1. Для удобства пользования энергетической диаграммой значение энергии отсчитывают не от начала координат (En = 0), а от основного уровня E1, принимая E1 за нуль.

2. Электронные переходы в атомах, спектральные серии излучения

При сообщении атому энергии извне он переходит в возбужденное состояние, т.е. на более высокий энергетический уровень. Через интервал времени порядка 10-8 с возбужденный атом самопроизвольно возвращается в исходное состояние, т.е. на основной энергетический уровень, излучая при этом избыточную энергию. Однако возвращение атома в основное состояние может происходить различными путями: либо непосредственно, либо через определенные промежуточные состояния (рис.2):

Рис.2.

В каждом из возбужденных атомов осуществляется какая-либо одна из возможных схем перехода в основное состояние, т.е. испускается один или несколько фотонов определенной частоты. Так как вещество состоит из огромного количества атомов, и каждый возбужденный атом возвращается в основное состояние по-своему, то вещество в целом излучает очень большое количество фотонов различных частот. Совокупность частот излучаемых фотонов составля-

46

ет спектр излучения данного вещества, в котором все фотоны одной частоты образуют определенную спектральную линию.

Все линии группируются по так называемым спектральным сериям (рис.3). Принадлежность линии к той или иной серии определяется тем уровнем, на который возвращается возбужденный атом. Каждый уровень получил буквенное обозначение: нижний уровень - K, далее - L, M, N и т.д. Совокупность линий, соответствующих переходу возбужденных атомов на уровень K называется K - серией; аналогично для L - серии, M - серии и т.д. Следует отметить, что на рис. 3 длина каждой стрелки пропорциональна разности энергий уровней, а, следовательно, и частоте излучения. Так, K-серия представляет собой самое высокочастотное излучение, линии L - серии имеют более низкие частоты и т.п. в отношении последующих серий.

Рис.3

Частота любой серии излучения (поглощения) может быть определена аналитически, это легко сделать для атома водорода. С этой целью следует в соотношение (3) подставить выражение (4) для энергий атома на соответствующих энергетических уровнях. Пусть первоначально атом находился на n-ом энергетическом уровне, а затем перешел на i-тый энергетический уровень. Полные энергии атома на этих уровнях соответственно:

где R = 2 π2 e4 m / h3 носит название постоянной Ридберга.

Соотношение (6) является универсальной формулой, позволяющей расcчитать частоты излучения для линии любой серии излучения (поглощения) атома водорода. Положив i = 1 и задавая значения n=2,3,4..., легко вычислить частоты излучения для K - серии. Для L-серии величина i = 2 , а n принимает

47

получила название сериальной формулы. Для случая, например, излучения n - номер уровня (орбитали), с которой электрон атома совершает свой переход, i - номер уровня (орбитали), на который электрон атома совершает свой переход.

3. Спектры, их характеристики

Спектры можно классифицировать по различным признакам. По характеру образования спектры делятся на:

1) спектры излучения (эмиссионные спектры). Их создают нагретые тела или тела, возбужденные каким-либо иным способом. Такие спектры представляют собой светлые (цветные) линии или полосы на темном фоне.

2) спектры поглощения (адсорбционные спектры). Они возникают при поглощении света в веществе и представляют собой темные линии или полосы на цветном фоне сплошного спектра белого света.

По внешнему виду различают следующие спектры:

1) линейчатые спектры. Такой спектр представляет собой совокупность отдельных линий; каждая линия в спектре соответствует монохроматическому излучению определенной длины волны. Линейчатые спектры дают свободные атомы. На рис.4 показана часть спектра атома водорода, содержащая две спектральные серии.

Рис. 4.

Рис.5.

2) полосатые спектры. Такие спектры характерны для молекул. В простейшем случае при образовании двухатомной молекулы (например, H20) происходит обобществление электронов, которые начинают вращаться вокруг общей системы ядер. В силу этого энергия электронов становится зависящей не только от расстояния электронов до ядра, но и от того, на каком расстоянии

48

находятся ядра в молекуле друг от друга. Это приводит к тому, что в каждой молекуле устанавливается своя система электронных энергетических уровней, отличная от системы энергетических уровней атомов, входящих в состав молекулы. При изменении расстояния между ядрами (например, при их взаимном колебательном движении) происходит деформация электронной оболочки, а следовательно, возникают дополнительные энергетические уровни. При этом оказывается, что каждому электронному энергетическому уровню соответствует целая система таких дополнительных уровней, называемых колебательными энергетическими уровнями. Иначе говоря, каждый электронный энергетический уровень расщепляется на систему колебательных подуровней.

Наряду с колебательным движением ядер в молекуле возможно вращение молекулы как целого относительно общего центра масс атомов, входящих в состав молекулы. Это вращение также приводит к образованию новых дополнительных энергетических уровней, называемых вращательными. Причем одному колебательному энергетическому уровню могут соответствовать несколько вращательных. На рис.5 приведена диаграмма взаимного расположения электронных, колебательных и вращательных энергетических уровней. При таком изобилии энергетических уровней в молекуле число возможных переходов между ними становится столь велико, что отдельные спектральные линии могут сливаться в непрерывные полосы. Такие спектры называют полосатыми. На рис.6 представлена часть спектра молекулы азота.

Рис.6.

Молекулярные спектры дают богатую информацию об объекте исследования. Электронные спектры молекул дают возможность определить состояние электронов в молекуле, энергию электронов, их распределение в электронной оболочке, а в некоторых случаях и энергию химических связей. Колебательные спектры дают возможность устанавливать пространственное строение молекулы, определять природу химических связей. Изучение вращательных спектров позволяет определить размеры молекулы, расстояние между атомами в молекуле.

3) сплошные спектры. Такие спектры излучают раскаленные твердые и жидкие тела, а также высокотемпературная плазма. Сплошной характер спектра, т.е. его непрерывность, обусловлен сильным влиянием соседних атомов и молекул друг на друга, что приводит к появлению большого числа дополнительных энергетических уровней.

49

Кроме того, в раскаленных телах имеются свободные электрические заряды, энергия которых может непрерывно меняться в очень широком интервале. Участвуя в беспорядочном тепловом движении, свободные заряды испытывают торможения при случайных соударениях. В процессе торможения заряда его энергия уменьшается на величину E; эта энергия уносится электромагнитным излучением с частотой ν = E / h. Условия торможения для различных зарядов различны в силу хаотичности их теплового движения, следовательно, различна и та доля энергии E, которую заряд расходует на излучение. Это означает, что в спектре раскаленного твердого тела представлены практически все частоты излучения, т.е. спектр становится сплошным. Визуально он представляет собой картину, в котором свечение одного цвета плавно и непрерывно переходит в свечение другого цвета. Заметим, что для видимой части оптического спектра непрерывный спектр последовательно изменяет свой цвет от фиолетового до красного.

4. Типы спектральных приборов

Спектральные приборы предназначены для регистрации, измерения и исследования спектров излучения или поглощения различных веществ. Основная часть любого спектрального прибора - "диспергирующий элемент" - обычно осуществляет пространственное разделение излучения на разных длинах волн, отклоняя его на различные углы. В подавляющем числе спектральных приборов в качестве диспергирующего элемента используются либо призма, выполненная из стекла или прозрачного кристаллического материала, либо дифракционная решетка. В призменных спектральных приборах, берущих свое начало от известного опыта Ньютона по разложению солнечного света, используется зависимость показателя преломления вещества n от длины волны излучения λ (дисперсия - это зависимость n ( λ )).

Спектральный прибор выбирается исследователем в зависимости от характера решаемых экспериментальных задач. Спектральные приборы различаются по методу получения и регистрации спектра, а также по области спектра, доступной для исследования с помощью данного прибора. В связи с последним различают спектральные приборы УФ-, видимого и ИКдиапазонов длин волн. По методу получения и способа регистрации спектра можно выделить следующие типы спектральных приборов:

1) cпектрограф. Так называется прибор для фотографической регист-рации спектра. При этом на фотопластине получают изображение отдельных линий или полос исследуемого спектра, затем исследователь расшифровывает картину спектра, определяя соответствующие длины волн излучения. Существуют спектрографы на различные перечисленные выше области спектра: от УФ до ИК.

2) монохроматор - спектральный прибор, выделяющий излучение в некотором, обычно довольно узком, интервале длин волн Δλ, который можно непрерывно перемещать по всей области спектра прибора. В монохроматорах перемещение Δλ, как правило, осуществляется перестройкой (поворотом) диспергирующего элемента. Монохроматоры применяются как само-

50