Описание установки

Целью настоящей работы является определение четырех длин волн видимой области атома водорода и постоянной Ридберга. Для этого в данной работе используется спектроскоп. Оптическая схема спектроскопа приведена на рис. 73.1.

Основным элементом спектроскопа является призам (Пр), кото­рая позволяет разлагать в спектр излучение источника (И). Соби­рающие линзы (Л₁) и (Л₂) используются для создания параллельного пучка света. (S₁) и (S₂) — входная и выходная щели. Призма спектро­скопа механически соединена с отсчетным барабаном. При вращении отсчетного барабана происходит поворот призмы и перемещение ли­ний спектра по щели (S₂). В качестве источника света используются газоразрядные трубки, наполненные гелием или криптоном (для гра­дуировки спектроскопа) и водородом.

Рис. 73.1. Оптическая схема спектроскопа:

И — источник, Пр — призма, S₁ и S₂ — входная и выходная щели,

Л₁ и Л₂ — собирающие линзы. Кр — красная линия, Ф — фиолетовая линия

Рис. 73.2. Спектроскоп (вид сверху):

И - источник, S₁ и S₂ — входная и выходная щели Б — барабан

Порядок выполнения работы

1. .поразрядную трубку с гелием или криптоном поставьте им щели (S₁). Включите установку и добейтесь четкой видимости спектральных линий.

2. Вращая отсчетный барабан (Б) (рис. 73.2), найдите красную линию.

3. Запишите длину волны этой линии и показание барабана m в табл.73.1

Таблица 73.1

Цвет линии гелия или криптона	Длина волны λ нм	Отчет по барабану m
		Опыт 1	Опыт 2	Среднее значение

1. Вращайте барабан до появления следующей линии и проведите аналогичную запись в табл.73.1 пока не будет пройден весь спектр.

2.Повторите пункты 2, 3, 4 еще раз и данные занесите в соответствующий столбец табл. 73.1.

6. Рассчитайте среднее значение показаний барабана m для каждой линии и заполните последний столбец табл. 73.1

Рис.73.3. Оси градуировочного графика спектроскопа по линиям гелия или криптона

7. Постройте градуировочный график спектроскопа (рис. 73.3), исходя из данных табл. 73.1.

Установите трубку с водородом против щели (S{) и включить ее.

8. Определите деления барабана, соответствующие красной, зе­леной, голубой и фиолетовой линиям серии Бальмера.

9. Показания занесите в табл. 73.2.

Таблица 73.2

Результаты измерений для водородной газоразрядной трубки

Спектральная линия водорода	Отчет по барабану m
	Опыт 1	Опыт 2	Среднее значение
Красная
Зеленая
Голубая
Фиолетовая

10. Повторите измерения положений линий спектра водорода и сосчитайте их среднее значение.

11. Используя данные табл. 73.2. и градуировочный график (рис. 73.3), определите значения длин волн, соответствующие красной, зеленой, голубой и фиолетовой линиям спектра водорода.

12. Значения длин волн занесите в табл. 73.3.

Таблица 73.3

Таблица экспериментальных данных длин волн спектра атома водорода

Спектральная линия водорода	Длина волны по градуировочному графику λ , нм	Постоянная Ридберга R, c-1	R c-1	(R)2, c-1

Обработка результатов измерений

1. Вычислите значения постоянной Ридберга по формуле (73.1) и занесите в табл. 73.3.

2. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерений-... Окончательный результат запишите в виде:

R = R_cp, ± R.

3. Сделайте выводы и сравните экспериментальные значения постоянной

Ридберга с теоретическим. Теоретическое значение возмите из методических указаний или из справочника.

Контрольные вопросы

3. Запишите формулу для частот в спектре атома водорода.

4. Изобразите оптическую схему спектроскопа.

Лабораторная работа № 77

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДНОГО РАСТВОРА РИБОФЛАВИНА С ПОМОЩЬЮ КОЛОРИМЕНТА ИЛИ НЕФЕЛОМЕТРА

При прохождении светового потока через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения света веществом. Закон Бугера-Ламберта-Бера определяет уменьшение интенсивности моно-хроматической световой волны при ее прохождении через раствор поглощающего вещества. Этот закон используется для определения концентрации поглощающего вещества путем измерения поглоще­нии на фотоэлектрических приборах — колориметре или нефелометре.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изложе­нием закона Бугера - Ламберта - Бера в конспектах лекций.

Проработайте тему «Закон Бугера - Ламберта - Бера» по пособию: Квантовая физика: Методические указания по курсу «Физика и биофизика». С. 14-15.

Цель работы

Экспериментально проверить закон Бугера - Ламберта – Бера и определить

концентрации водного раствора рибофвлавина с помощью колориметра или нефелометра.

Оборудование

Колориметр фотоэлектрический концентрированный, КФК-2 (рис. 77.4), или нефелометр фотоэлектрический однолучевой, НФО (рис. 77.5) (работа выполняется на одном из этих приборов), набор кювет одинаковой длины с водными растворами рибофлавина раз­ной концентрации.

Краткие теоретические сведения

Пусть пучок монохроматического света с длиной волны  про­ходит через слой поглощающего вещества (рис. 77.1).

Рис. 77.1. Проxождение пучка моно­хроматического света через слой поглощающего вещества:

I₀ — интенсивность падающего света: I — интенсивность света, прошедшего через слой поглощающею вещества толщиной l

Обозначим через I₀ интенсивность падающего света, а через I — интенсивность света, проходящего через слой поглощающего веще­ства толщиной l. Согласно закону Бугера - Ламберта - Бера, ин­тенсивность света экспериментально убывает по мере прохождения слоя поглощающего вещества:

где с - концентрация поглощающего вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, а к — молярный ко­эффициент поглощения.

Молярный коэффициент поглощения характеризует ослабление пучка света в слое раствора поглощающего вещества единичной толщины и единичной концентрации. Он является табличной вели­чиной и зависит от природы вещества и длины волны падающего света , но не зависит ни от концентрации поглощающего вещест­ва с, ни от интенсивности падающего света I₀. Если концентрация с измеряется в молях на метр кубический, [С] = моль/м³, а длина — в метрах, то размерность произведения [Сl] = [С] [l] = (моль/м³)м = моль/м² = м^-2. Поскольку величина кС1 — безразмерна, то размер­ность молярного коэффициента поглощения [к] = м².

График зависимости интенсивности света I, прошедшего через слой раствора постоянной толщины, от концентрации с показан на рис.77.2

Рис.77.2. Зависимость интенсивности света I, прошедшего через слой раствора поглощающего вещества постоянной толщины, от концентрации С; I₀ – интенсивность падающего света

Величину

т.е. отношение интенсивности прошедшего света к интенсивности падающего, выраженное в процентах, называют коэффициентом пропускания слоя вещества

Величин

т.е. десятичный логарифм отношения интенсивности падающего света к интенсивности прошедшего света называют оптической плотностью. Обе величины связаны между собой формулой:

Оптическая плотность является мерой непрозрачности слоя вещества толщиной l для световых лучей. Например, оптическая плотность графита (непрозрачное вещество) почти в 10⁷ раз больше, чем воды или стекла (оптически прозрачные вещества). Введение D удобно при вычислениях, т. к. эта величина меняется на несколько единиц, когда отношение I₀/I изменяется на несколько порядков

Оптическая плотность смеси нереагирующих друг с другом веществ равна сумме оптических плотностей отдельных компонентов.

Коэффициент пропускания  и оптическую плотность D водных paстворов поглощающих веществ (витаминов, лекарств) можно измерить с помощью фотоэлектрических приборов: колориметра или нефелометра.

Пусть имеется набор одинаковых кювет с растворами поглощающего вещества разной концентрации. Построим с помощью колориметра или нефелометра градуировочную кривую, т. е. график зависимости оптической плотности . D раствора поглощающего вещества от его концентрации с

(рис. 77.3). По градуировочной кривой можно опре­делить неизвестную концентрацию С_х данного поглощающего вещества, измерив оптическую плотность D_x его раствора.

Рис. 77.3 . Градуировочная кривая. Зависимость оптической плотности. D раствора поглощающего вещества от его концентрации С.

Описание колориметра КФК-2

Колориметр КФК-2 схематически изображен на рис. 77.4.

С помощью колориметра КФК-2 можно измерить коэффициент пропускания  жидкого раствора в пределах от 1 до 100 % и оптиче­скую плотность D от 0 до 2 в диапазоне длин волн от 315 нм до 980 нм (1 нм=10^-9 м).

Рис 77.4. Схематическое изображение колориметра:

а — вид спереди: 1- микроамперметр, 2 - кюветное отделение, 3- рычаг для замены кювет в световом пучке (может находиться в положениях 1 и 2), 4 - ручка ввода светофильтров. 5 — ручка «Чувствительность», 6 — ручка «Установка 100 гpy6o», 7 -ручка «Точно»; 6 - вид сзади: 8 - электрошнур с вилкой для включения в сеть, 9 - выключатель сетевого напряжения «Сеть»

Основными частями колориметра являются: источник излуче­ния, оптическая система, формирующая параллельный пучок света и фотоприемное устройство с измерительным прибором микроамперметром. Источником излучения служит галогенная лампа, спектр излучения которой - сплошной. Для выделения узких участков спектра из сплошного спектра излучения лампы применяются цветные светофильтры.

Для измерения коэффициента пропускания  и оптической плотности D исследуемого раствора шкалу коэффициентов пропускания калибруют по световому потоку, прошедшему через кювету с растворителем дистиллированной водой. Кювету с водой вносят в световой поток и по шкале коэффициентов пропускания  устанавливают отсчет 100, изменяя чувствительность колориметра. Затем в световой поток вносят кювету с исследуемым раствором и одновременно снимают два отсчета: коэффициента пропускания  и оптической плотности D.

Порядок выполнения работы на колориметре КФК-2

1. Ознакомтесь с лабораторной установкой.

2. Включите колориметр в сеть вилкой (8) и тумблером (9) (Рис.77.4).

3. Установите ручкой (4) светофильтр с длиной волны 440 нм.

4.Вставьте в кюветное отделение (2) кювету с дистиллированной водой (положение 1) и раствором рибофлавина (положение 2).

5. Установите рычаг (3) поворотом до упора в положение 1. В световой поток попадает кювета с водой.

6. Ручками (5), (6) и (7) установите отсчет 100 по шкале  коло­риметра. Крышка кюветного отделения должна быть закрыта. Сначала установите ручку (5) в одно из трех положений: 1, 2 или 3, затем манипулируйте ручками (6) и (7). Если при выбранном положении ручки (5) отсчет 100 не устанавливается, переключите ее в другое положение и манипулируйте ручками (6) и (7).

7. Установите рычаг (3) в положение 2.

8. Снимите отсчеты величин  и D для данного раствора по шкале коэффициентов пропускания  в процентах и по шкале оптической плотности D в единицах. Данные занесите в табл. 77.1.

9. Повторите измерения величин  и D для данного раствора рибофлавина (пункты 5—8) три раза. Данные занесите в табл. 77.1.

10. Измерьте величины  и D для всех остальных растворов рибофлавина несколько раз. Данные занесите в табл. 77.1.

11. Обработайте результаты измерений в соответствии с поряд­ком обработки результатов измерений (см. ниже).

Описание нефелометра НФО (рис. 77.5)

С помощью нефелометра можно измерить коэффициент про­пускания жидкого раствора в пределах от 1 до 100 % и оптическую плотность D от 0 до 2 в диапазоне длин волн от 400 нм до 980 нм.

При измерениях величин  и D находится отношение световых по­токов, прошедших поочередно через кювету с растворителем и кювету с исследуемым раствором. После прохождения через кювету с вещест­вом световой поток попадает на фотоприемник, преобразуется им в электрический сигнал, который усиливается и обрабатывается микро-ЭВМ нефелометра. В зависимости от режима работы, на цифровом табло высвечивается отсчет ветчины  или D исследуемого раствора. Нефелометр схематически изображен на рис. 77.5.

Порядок выполнения работы на нефелометре НФО

1. Ознакомьтесь с лабораторной установкой.

2. Установите тумблер (3) «Модулятор» в положение «Выкл.», ручку (2) «Светофильтры» — в положение «Кор.» (рис. 77.5).

Рис. 77.5. Схематическое изображение нефелометра:

1 - кюветное отделение, 2 - ручка «Светофильтры», 3 () — тумблер «Модулятор», 4 - тумблер «Сеть» (тумблеры 3 и 4 расположены на левой боковой панели нефелометра), 5- цифровое табло, 6, 7 - клавиатура. 8 - электрошнур с вилкой для включения в сеть (вмонтирован в заднюю панель нефелометра и поэтому на рисунке не виден)

3.Включите нефелометр в сеть вилкой (8) и тумблером (4) «Сеть».

4.На цифровом табло (5) должна появиться мигающая запятая, сигнализирующая о включении микро-ЭВМ. Если ее нет, нажмите на клавиатуре (6) клавишу «Пуск».

5.Прогрейте нефелометр в течение 3 мин.

6.Включите «Модулятор» тумблером (3).

7.Установите ручку (2) «Светофильтры» в положение 490 нм.

8.Нажмите клавишу а на клавиатуре (6) один раз.

9.Введите в кюветное отделение (1) кювету с дистиллированной водой.

10.Нажмите клавишу «Попр.». На цифровом табло (5) высветится символ L и его значение. После того, как значение L установится, нажмите клавишу . На цифровом табло должен появиться отсчет 100,0 ± 0,2. Если отсчет отличается от 100 больше, чем на 0,2 повторно нажмите клавиши «Попр.» и .

11. Введите в кюветное отделение кювету с раствором рибофлавина.

12.Снимите отсчет коэффициента пропускания  раствора рибофлавина по цифровому табло (в процентах) три раза. Данные занесите в табл. 77.1.

13. Введите поочередно в кюветное отделение кюветы с остальными растворами рибофлавина. Снимите отсчеты  по цифровому табло три раза для каждого раствора. Данные занесите в табл. 77.1.

14.Для измерения оптической плотности D введите в кюветное отделение кювету с дистиллированной водой.

15. Нажмите клавишу «Попр.» На цифровом табло высветится символ L и его значение. После того, как значение L установится нажмите клавишу D (4). На цифровом табло должен появиться отсчет 0,000 ± 0,001. Если отсчет отличается от 0,000 больше, чем на 0,001, повторно нажмите клавиши «Попр.» и D (4).

16. Введите в кюветное отделение кювету с раствором рибофлавина.

17.Снимите отсчет оптической плотности D раствора по циф-I и тому табло (в единицах) три раза. Данные занесите в табл. 77.1.

18. Введите поочередно в кюветное отделение кюветы с остальными растворами рибофлавина. Снимите отсчеты D по цифровому табло каждого раствора три раза. Данные занесите в табл. 77.1.

19. Обработайте результаты измерений в соответствии с поряд­ком обработки результатов измерений.

Примечание. При работе на нефелометре необходимо соблюдать сле­дующее: 1) после нажатия любой режимной клавиши надо выждать несколько се­кунд, пока на цифровом табло не появятся соответствующие символы; 2) нельзя по­вторно нажимать клавишу, не дождавшись появления соответствующих символов на цифровом табло, иначе может произойти сбой программы. В этом случае надо на­жать клавишу «Пуск».

Таблица 77.1

Коэффициент пропускания  и оптическая плотность D водных растворов рибофлавина разной концентрации

Номер раствора	Концентрация рибофлавина в растворе с, г/л	Коэффициент пропускания,%						Оптическая плотность
		Измерения			Среднее значение		Измерения				Среднее значение
		1	2	3			1	2	3
1
2
3
4
5

Порядок обработки результатов измерений

1. Вычислите средние арифметические значения коэффициента пропускания  и оптической плотности D для каждого раствора рибофлавина. Данные занесите в табл. 77.1.

2. Постройте график зависимости коэффициента пропускания  водного раствора рибофлавина (откладывается по вертикали) от его концентрации С (откладывается по горизонтали). Объясните полученную линию.

3. Постройте градуировочный график, откладывая величину оп­тической плотности D водного раствора рибофлавина по вертикали, а его концентрацию С — по горизонтали. По градуировочному графи­ку определите неизвестную концентрацию С_х раствора рибофлавина.

3. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Бугера — Ламберта — Бера.

2. Каков физический смысл молярного коэффициента поглоще­ния и какова его размерность?

3. Каков график зависимости коэффициента пропускания  раствора от его концентрации?

4.Каков график зависимости оптической плотности D раствора от его концентрации?

5.На одном рисунке постройте графики зависимости коэффициента пропускания  слоя раствора от его толщины для разбавленного и концентрированного растворов.

6. Что такое градуировочная кривая и как с ее помощью опреде­лить неизвестную концентрацию раствора?

7.В чем состоит принцип измерения коэффициента пропускания  и оптической плотности D на колориметре и на нефелометре?

Лабораторная работа № 78

ИДЕНТИФИКАЦИЯ САХАРОВ МЕТОДОМ ПОЛЯРИМЕТРИИ

В аналитической химии, в фармации и в биотехнологии для определения концентрации растворов лекарств, витаминов и др. широко используются приборы (поляриметры), основанные на практическом применении свойств поляризованного света. Поэтому знание свойств поляризованного света необходимо как провизору, таки и инженеру-химику и биотехнологу.

В настоящей работе закладывается основы навыков и умений, необходимых для дальнейшей работы с поляриметрами.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изложением вопроса о поляризации света в конспектах лекций.

Следует также проработать темы «Поляризованный и естественный свет» и «Поляроиды» по пособию: Волновая оптика: Методические указания по курсу «Физика и биофизика». 1990. С. 32-34.

Цель работы

Найти удельное вращение ряда сахаров и произвести их идентификацию.

Оборудование (рис. 78.1—78.3)

1. Поляриметр круговой СМ-3.

2. Кювета с дистиллированной водой.

3. Три кюветы с растворами сахаров.

Краткие теоретические сведения

Поляризованный свет, т. е. свет, в котором вектор напряжен­ности электрического поля Е колеблется в одной плоскости, полу­чают с помощью поляроида, называемого поляризатором. Затем этот свет пропускают через второй поляроид, называемый анализа­тором. Если эти два поляроида скрещены (угол между плоскостя­ми, в которых эти поляроиды пропускают свет, равен 90°), то свет из такой системы не выходит. Но если между ними поместить рас­твор сахара в воде, то свет через поляроиды будет проходить, так как оптически активные вещества, согласно закону Био, способны поворачивать плоскость поляризации световой волны на угол . Чтобы снова получить затемнение на экране, нужно повернуть ана­лизатор на этот угол  в обратную сторону. Принципиальная схема поляриметра приведена на рис. 78.1

Рис. 78.1 Принципиальная схема поляриметра:

П — поляризатор, А — анализатор

Угол поворота плоскости поляризации  веществом зависит от природы вещества, его концентрации С и толщины слоя d.

 = []Cd,

Удельное вращение вещества — это вращение плоскости поля­ризации, вызванное слоем вещества толщиной 1 дм, при пересчете на содержание 1 г вещества в 1 мл объема. Для растворов удельное вращение, согласно «Государственной фармакопеи СССР. XI издания Выпуска 1», определяется по формуле:

где  - измеренный угол вращения в градусах,

d - толщина слоя в дециметрах,

C - концентрация раствора, выраженная в граммах вещества на 100 мл раствора.

Обычно вещество имеет 2 изомера (или антипода или энантиоморфа, отличающиеся как правая и левая перчатки); для правовращающего соединения принято обозначение D-форм (от dextro), или «+», для

левовращающего — L-форма (от laevo), или «-». Причиной поляризации света является несимметричное строение их молекул. Опыт показывает, что в общем оптическую активность обнаруживают лишь те соединения углерода, у которых по меньшей мере один С-атом связан с четырьмя различными остатками, т. е. является «ассимметрическим».

Описание установки

И данной лабораторной работе следует измерить удельное вращение ряда сахаров и, с помощью таблицы «Значение удельного вращения некоторых веществ», определить, в какой кювете находится тот или иной раствор сахара.

Таблица 78.1

Вещество	Удельное вращение (теория)	№ кюветы
Глюкоза
D—манноза
Галактоза
Лактоза
Фруктоза

Принципиальная схема установки практически совпадает | изображенной на рис. 78.1. Однако в оптическую схему следует ввести еще ряд элементов (рис. 78.2).

Общий вид прибора представлен на рис. 78.3.

Рис. 78.2. Оптическая схема поляриметра:

1 — осветительная лампа; 2 - светофильтр, пропускающий желтый свет вблизи  = 589, 3 нм; 3 - конденсор (даст параллельный пучок лучей); 4 - поляризатор; 5 - трубка с исследуемым веществом; 6 - анализатор; 7 -объектив: 8 — окуляр; 9 — две лупы

Рис. 78.3. Общий вид прибора:

1 - вилка, включаемая в есть посредством тумбле­ра; 2 - тумблер: 3 - кюветное отделение, скрываемое крышкой; 4 - наглазник, в котором видны половинки ноля зрения; 5 - две лупы в наглазнике, через которые снимаются отсчеты со шкалы лимба и отсчетного устройства; 6,7 - нониусы (нечетных устройств: 8 - ручка вращения лимба; 9 - втулка

П р и м е ч а н и е. На лимбе нанесена 360-градусная шкала с ценой деления 0,5°; величина отсчета по нониусу 0,02; оцифровка отсчетного устройства «10» соответствует 0.10°. «20». — 0.20° и т. д.

Вращением втулки устанавливается фокусировка, т. с. резкое изображение раздела поля зрения.

Принцип действия прибора и метод определения угла 

В поляриметре применен принцип уравнения яркостей разде­ленного на части поля зрения. Яркости поля сравнения уравнивают путем вращения анализатора (ручка (8), рис. 78.3).

Определение нулевого отсчета производится с кюветой, напол­ненной дистиллированной водой. Сначала устанавливают окуляр на резкое изображение линии раздела полей сравнения. Затем следует плавным и медленным поворотом анализатора добиться равенства яркостей полей сравнения. Повторить измерения 3 раза и взять среднее значение. То же повторить для каждой из трех кювет.

Порядок выполнения работы

1. Включите поляриметр в сеть.

2. Поместите в кюветное отделение трубку с дистиллированной водой. Снимите отсчет угла . Он должен быть примерно равен нулю.

3.Поочередно помещая в кюветное отделение трубки 1, 2, 3, снимите соответствующие отсчеты. Данные занести в табл. 78.2.

4. Сравнив [] из табл. 78.2. с данными табл. 78.1, произведите идентификацию веществ.

Таблица 78.2

Результаты измерений и вычислений

№ кюветы	1	2	3	ср	d, дм	С,г/мл	[]

Контрольные вопросы

1.Какой свет является поляризованным?

2.В чем состоит закон Био?

3.От чего зависит удельное вращение [] вещества?

4. По какой формуле определяется []? Какова его размерность?

5.Приведите примеры оптически активных веществ.

ЛИТЕРАТУРА

Лаврова И.В. Курс физики; Учеб. пособие для студентов биолог - хим. фак. пед. институтов. М: Просвещение, 1981. 256с, ил.

Засман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1974.

366с., ил

Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.В. Курс физики. Т. 2. М.: Высш.шк., 1977, 411 с., ил.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1982. 496 с. ил.

ОПТИКА

Зав. издательством О. Л. Олейник

Редакторы М.М.Егорова, О. Л. Олейник

Верстка А. В. Силина

Печать на ризографе Н. В. Андриановой

Лицензия ЛР№021251Сдано в набор 17.04.2005. Подписано к печати 22.05.2007. Формаг 60х90/16. Бумага тип. Печать ризограф. Гарнитура «Таймс». Уч.-изд. л. 5,75. Печ. л. 4,25. Заказ 680. Тираж 300 экз.

Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия. 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 14