Данные к определению концентрации растворов биологически активного вещества

№ раствора	Толщина слоя, d	Угол φ	Концентрация C	Коэффициент (удельное вращение), [α]
1
2
3
4
5

Обработка результатов наблюдений

1. По данным табл. 67.1 необходимо построить график зависимости φ от концентрации С.

2. Используя этот график, найдите концентрацию неизвестного раствора С_х.

3. Независимо по формуле (67.1) и по графику найдите удельное вращение [α]. Сравните их.

Контрольные вопросы

1. Как можно использовать экспериментальную установку для обнаружения диабета?

2. Запишите единицы измерения для величин, входящих в закон Био.

3. Нарисуйте график зависимости удельного вращения вещества от концентрации этого вещества в растворе.

4. Как изменится график, построенный по результатам измерений в данной работе, если взять кюветы большей длины?

5. Что такое оптически активное вещество? Перечислите некоторые из них.

6. Какие из перечисленных веществ будут оптически активными: СН₃ОН, С₂Н₅ОН, CH₃CH(OH)NH₂, CH₃CHCl₂CH₃, CH₂CHClNH₂.

Раздел 3. Квантовая физика

Лабораторная работа № 71

ПРОВЕРКА ЗАКОНА СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА

С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

Тепловая энергия всегда передается от горячего тела к холодному. Одним из механизмов передачи этой энергии является тепловое излучение.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изложением закона Стефана-Больцмана в конспектах лекций. Проработайте тему «Закон Стефана-Больцмана» по пособию: Квантовая физика: Meтодические указания по курсу «Физика и биофизика». С. 8-9.

Цель работы

Экспериментальная проверка основного закона теплового излучения — закона Стефана-Больцмана и определение постоянной Стефана-Больцмана с помощью оптического пирометра.

Оборудование

1. Оптический пирометр.

2. Лампа накапливания с вольфрамовой нитью.

3. Ваттметр.

4. Реостат.

Краткие теоретические сведения

Все нагретые тела испускают электромагнитное излучение, которое называется тепловым излучением. Тепловое излучение охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовых с длиной волны λ <200 нм = 2·10^-7 м до инфракрасных с длиной волны λ ~ 200 мкм = 2·10^-4 м. Видимый свет, испускаемый раскаленными телами, — это тоже тепловое излучение с длинами волн от λ = 400 нм (фиолетовый свет) до λ = 800 нм (красный свет). Излучение видимого света с становится заметным, если тела нагреты до достаточно высокой температуры: пламя свечи, раскаленная спираль утюга или нить лампы накаливания. С понижением температуры излучение видимого света ослабевает, однако тепловое излучение остается всегда. Все живые существа излучают тепловые электромагнитные волны. Источниками видимого света являются солнце и звезды.

Рассмотрим характеристики теплового излучения абсолютно черного тела, т.е. тела, полностью поглощающего падающее на него излучение независимо от длины волны и температуры.

Обозначим через dW_λ,T энергию электромагнитного излучения, испускаемого за единицу с единицы площади поверхности тела в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ. Индексы λ и T здесь и в дальнейшем подчеркивают зависимость соответствующей величины от длины волны λ и абсолютной температуры Т.

Лучеиспускательной способностью, или спектральной светимостью, тела называют удельную величину:

^,

т.е. энергию, излучаемую за единицу времени с единичной поверхности тела в единичном интервале длин волн. Поскольку энергия, излучаемая за единицу времени, представляет собой мощность, то лучеиспускательная способность есть ни что иное, как удельная мощность излучения, отнесенная к единичной поверхности тела и единичному интервалу длин волн. Размеренность [dW_λ,T] = Дж/(с·м²) = Вт/м², поэтому [r_λ,T] = Вт/м³. Лучеиспускательная способность (спектральная светимость) представляет собой мощность излучения при данной длине волны λ.

Интегральной характеристикой теплового излучения является полная (энергетическая) светимость тела R_T. Это энергия, излучаемая за единицу времени единичной поверхностью тела во всем интервале длин волн 0≤λ<∞. Полная светимость складывается из суммы спектральных светимостей тела по всем длинам волн:

.

Размерность — [R_T] = Вт/м².

Мощность излучения W_изл, испускаемого телом с поверхности площадью S:

.

Зависимость спектральной светимости (лучеиспускательной способности) тела от длины волны называют спектром излучения Спектр характеризует распределение мощности излучения по всевозможным длинам волн. Спектр излучения имеет максимум, положение которого зависит от температуры тела Т. На рис. 71.1 изображен спектр излучения раскаленного тела при некоторой температуре Т. Площадь под кривой представляет собой полную светимость тела R_Т. (Объясните, каков физический смысл заштрихованной области?)

Рис.71.1. Спектр излучения раскаленного тела

Зависимость полной (энергетической) светимости раскаленного тела от температуры подчиняется закону Стефана - Больцмана:

R_Т = Т⁴,

т.е. она пропорциональна четвертой степени температуры тела, ко­эффициент пропорциональности:

 =5,67 ^. 10^-8Вт/(м^{2 .}К⁴)

называется постоянной Стефана - Больцмана. Если же тело не аб­солютно черное, то его полная светимость также пропорциональна четвертой степени температуры, но коэффициентом пропорциональ­ности служит произведение K, где К— постоянная, зависящая от свойств тела. Оказывается, что К < 1 и энергетическая светимость любого тела всегда меньше, чем абсолютно черного тела при данной температуре. Например, для сажи К_сажи= 0,95, для воды К_воды = 0,92, черной меди К_меди = 0,78, оксидированного свинца К_свинца = 0,23, а полированной меди или алюминия K_{nолир. меди} = 0,04  0,05.

Закон Стефана — Больцмана позволяет определить температуру далеко нагретого тела, измеряя энергию, излучаемую этим телом.

Этот бесконтактный способ определения температуры реализован в оптическом пирометре с исчезающей нитью, который применяется в настоящей работеэ

Рис. 71.2. Внешний вид пирометра (а) и его шкала (б):

Ок — окуляр. Об — объектив, I1 — переключатель диапазонов,

Рх — ручка реохорда, Кн — кнопка включения пирометра,

Шк — шкала пирометра

Описание установки (рис. 71.2 и 71.3)

Внешний вид и основные детали пирометра схематически изо­бражены на рис. 71.2. Внутри пирометра вмонтирована пирометри­ческая лампа (Пл). Она изображена на электрической схеме лабора­торной установки (рис. 71.3а). Яркость излучения нити накала пирометрической лампы регулируется реохордом (Рх). Ручка рео­хорда связана со шкалой пирометра. Установив с помощью реохор­да определенную яркость нити накала, по шкале пирометра определяют ее температуру. Пирометром можно измерить температуру от 800 °С до 5000 °С. Этот интервал температур разбит на три диапазона. Каждому диапазону соответствует своя шкала. Левая шкала имеет пределы измерения температуры от 800 °С до 1400 ⁰С, средняя шкала от 1200 °С до 2000 °С и правая шкала от 1800 °С до 5000 °С. Выбор требуемого диапазона осуществляется переключением диапазонов (П) (рис. 71.2). Переключатель диапазонов имеет три положения, которые указаны на корпусе пирометра.

Рис.71.3. Электрическая схема лабораторной установки:

а-схема пирометра, б - схема исследуемой лампы; Пл — пирометрическая лампа, Л - исследуемая лампа, R -реостат, W -ваттметр, К - тумблер, Ок -окуляр, Об — объектив, П — переключатель диапазонов, Рх — ручка реохорда, Кн — кнопка включения пирометра, Шк— шкала пирометра

Светящаяся нить накала исследуемой лампы является источни­ком теплового излучения. При неизменной температуре лампы нить накала ежесекундно излучает со своей поверхности столько энергии W_изл, сколько электрической энергии W_эл. расходуется на ее накал, W_изл= W_эл.

Электрическая энергия W_эл, измеряется ваттметром. По закону Стефана - Больцмана энергия, ежесекундно излучаемая нитью накала, нагретой до температуры Т и имеющей площадь поверхности S, равна:

W_изл= SТ⁴

откуда,

Эта формула является расчетной в данной лабораторной работе.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с лабораторной установкой.

2. Переключатель диапазонов на корпусе пирометра поставьте в положение «2».

3. Поворотом ручки реохорда (Рх) (рис. 71.2) установите по средней шкале пирометра температуру t = 1400 °С.

4. Тумблером (К) включите исследуемую лампу и поворотом ручки реостата (R) (рис. 71.36) установите слабое свечение нити накала. Нить накала не светится, если реостат (R) установлен на нуле.

5. Наблюдая в окуляр (Ок) при нажатой кнопке (Кн) (рис. 71.2), медленно поворачивайте ручку реостата (R) (рис. 71.36) до тех пор, пока не наступит совпадение яркостей излучения нитей накала пирометрической и исследуемой ламп. При совпадении яркостей нить пирометрической лампы исчезнет на фоне раскаленной нити исследуемой лампы.

6. Снимите отсчет мощности W_эл по шкале ваттметра. Цена деления шкалы 5 Вт/дел. Результат измерения занесите в табл. 71.1.

7. Произведите измерения температуры t и мощности в интервале температур до 2000 °С через 100 °С в соответствии с пунктами 5 и 6.

8. Повторите измерения t и W_эл (пункты 3—7) еще два раза. Ре­зультаты измерений занесите в табл. 71.1.

9. Рассчитайте постоянную Стефана - Больцмана  по расчет­ной формуле при каждой температуре. Площадь поверхности нити накала исследуемой лампы S = 0,9 см². Результаты расчета занесите в табл. 71.1.

10. Постройте графики зависимости мощности излучения ис-ivcmoII пампы W_эл.ср от четвертой степени температуры Т⁴ и постоянной Стефана - Больцмана  от температуры Т. Теоретическую зависимость W_эл.ср. следует провести сплошной линией, а экспериментальные данные нанести точками.

11. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности определения  Запишите окончательный результат в виде  = _ср±'

12.Сделайте выводы.

Таблица 71.1

Экспериментальные данные к проверке закона Стефана-Больцмана

t°,С	Т,К	Т4,К	Wэл дел			Wэл.ср дел	Wэл.ср Вт		 Вт/м2 . К4		 Вт/м2 . К4	2 Вт/м2 . К4
			1	2	3
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Среднее значение

Контрольные вопросы

1. Что такое спектральная светимость и полная светимость? Ка­кова связь между ними?

1. Что характеризует спектр излучения тела?

2. Сформулируйте законы излучения абсолютно черного тела.

3. На чем основан принцип действия оптического пирометра?

4. Каков физический смысл заштрихованной области на рис. 71.1?

Лабораторная работа № 72

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

В основе квантово-химических представлений лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма. Изучение фотоэффекта на­правлено на подготовку к сознательному усвоению этого принципа.

Фотоэлемент — прибор, действие которого основано на явлении внешнего фотоэффекта. Характеристиками фотоэлемента являются:

а) зависимость фототока i от анодного напряжения и фотоэле- мента при освещении фотокатода постоянным световым потоком Ф, т. е. i =(u) при Ф = const.

Эта зависимость называется вольт-амперной характеристикой фотоэлемента;

б) зависимость фототока от светового потока, падающего на фо- токатод, при постоянном анодном напряжении, т. е. . i =(Ф) при и u = const.

Цель работы

Изучение характеристик фотоэлемента.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изло­жением теории фотоэффекта в конспектах лекций. Проработайте темы «Вольт-амперная характеристика фотоэлемента» и «Законы фотоэффекта» по пособию: Квантовая физика: Методические указания по курсу «Физика и биофизика». С. 19-21.

Оборудование (рис. 72.1)

1. Регулируемый источник питания.

2. Микроамперметр.

3. Фотоэлемент.

4. Источник света (лампа).

Краткие теоретические сведении

Явление фотоэлектрического эффекта (или фотоэффекта) заключается в испускании электронов веществом под действием света.

Световое излучение может вырывать электроны из металлов, диэлектри-ков, а также из одиночных атомов в газе. Эффект испускания электронов определяется как составом падающего излучения, так и сортом вещества. Цезий, например, испускает электроны при освещении его видимым светом. Платина и вольфрам начинают отдавать электроны только при воздействии ультрафиолетовыми лучами и т. д.

Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и измерения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электрические.

Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный баллон, на одну половину внутренней поверхности которого наносится светочувствительный слой щелочных металлов или их соединений. Для работы в видимой области спектра широко применяются сурьмяно-цезиевые фотоэлементы. Этот светочувствительный слой является фотокатодом. В баллоне фотоэлемента создан либо вакуум (вакуумные фотоэлементы), либо находится инертный газ (Аг, Ne, Не) под давлением порядка 10 ^-2 мм рт. ст. (газонаполненные фотоэлементы). Фотоэлемент включается в цепь аккумуляторной батареи.

При освещении катода из него выбиваются электроны. В этом и состоит явление внешнего эффекта. В цепи возникает фотоэлектрический ток.

В вакуумном фотоэлементе ток возникает только благодаря фотоэлектронам.

В газонаполненном фотоэлементе выбитые электроны (фотоэлектроны), ускоряясь электрическим полем между катодом (фотокатодом) и анодом, сталкиваются с молекулами газа и снова выбивают из них электроны. Вновь образованные электроны при движении к аноду, в свою очередь, ускоряются и производят повторную ионизацию. Тем самым ток в фотоэлементе усиливается.

В данной работе используется газонаполненный фотоэлемент с внешним фотоэффектом.

Фотоэлементы широко применяются в приборах, используемых для определения концентрации и идентификации веществ: поляриметрах, сахариметрах, спектрографах, фотометрах и т. п. Эти приборы используются как биотехнологами, так и фармацевтами.