Главная | Обратная связь

Нефелометрия и турбидиметрия.

Нефелометрия и турбидимегрия – это методы определения концентрации частиц в коллоидном или суспендированном растворах.

Суспензия – это среда, содержащая дисперсные непрозрачные частицы, которые делают среду мутной.

В нефелометрии проводят измерение интенсивности света 3, рассеянного в кювете с исследуемым раствором 4, перпендикулярно падающему лучу 1, рис.6. Рассеяние идет на частицах 2 во все стороны, поэтому для регистрации фотоэлементом 6 используется лишь незначительная часть рассеянного света, который собирается линзой 5. Это ограничивает чувствительность метода.

Рис.6.

Если измерение концентрации суспензии проводят в проходящем свете, то метод называется – турбидимстрией. В этом методе главная задача выделить лучи, не взаимодействовавшие с частицами раствора. В связи с тем, что индикатриса рассеяния 9 сильно вытянута вперед, используется диафрагма 8, чтобы ограничить попадание рассеянных вперед лучей на фотоэлемент, рис. 7. Т.к. не рассеянные лучи не меняют своего направления, то точность измерения будет тем выше, чем уже диафрагма, но в этом случае падает чувствительность метода. Оптические системы колориметров, нефелометров и турбидиметров аналогичны.

Рис.7.

 

Турбидиметрия и нефелометрия применяются, например, для измерения концентраций суспензий бактериальных клеток в клинических лабораториях.

 

Рассеяние света.

Если в прозрачной среде с показателем преломления имеются неоднородности (частицы) с иным показателем преломления , чем основная среда, то световой луч отклоняется от своего первоначального направления и делится на множество лучей. Наблюдается рассеяние света.

Рис.8.

В зависимости от соотношения между размерами частиц и длиной волны падающего света различают три области рассеяния.

Геометрическое рассеяние – это рассеяние, обусловленное в основном законами отражения и преломления света, рис. 8. Оно наблюдается, если размер частиц значительно превышает длину волны света . Например, в растворе находятся крупные коллоидные частицы. В этом случае интенсивность рассеянного света изменяется обратно пропорционально квадрату длины волны.

.

Если размеры частиц соизмеримы с длиной полны света , то основным явлением, вызывающим рассеяние, является дифракция света на частицах примеси. Это так называемое дифракционное рассеяние. При этом происходит как изменение направления светового луча, так и деление его интенсивности по различным порядкам дифракционных максимумов, рис. 9.

Рис.9.

Если частицы значительно меньше длины волны света, то есть ,интенсивность рассеянного света подчиняется закону Рэлея. В этом случае рассеяние связано в основном с взаимодействием квантов света с атомами и молекулами вещества.

Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.

.

Подобное рассеяние может наблюдаться в чистом веществе на оптических неоднородностях, возникающих вследствие небольших колебаний плотности (на флуктуациях плотности) или на отдельных молекулах – молекулярное рассеяние. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба, т.к. по закону Рэлея наиболее интенсивно рассеивается коротковолновая часть спектра, а мы видим рассеянный свет. В прошедшем свете, особенно на закате, когда оптический путь в атмосфере особенно велик, Солнце кажется красным, т.к. коротковолновая часть спектра рассеялась.

Закон Рэлея справедлив и при рассеянии света на мелких инородных частицах , делающих среду мутной. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля.

Рассеивающийся пучок света при наблюдении сбоку имеет вид конуса, – т.н. конусТиндаля, рис. 10.

Рис.10.

Рассеяние света как и поглощение подчиняется закону Бугера:

,

где – показатель поглощения, а – показатель ослабления света вследствие рассеяния.

Дисперсия света.

Скорость света в данном веществе, а следовательно, и абсолютный показатель преломления зависят не только от природы вещества, но и от частоты колебаний (или длины волны в вакууме) падающей волны.

Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины волны в вакууме), называют дисперсией света. К дисперсии света в первую очередь относится разложение сложного света на простые монохроматические волны («разложение в спектр»), происходящие при преломлении света на границе различных сред.

Дисперсию света характеризуют функцией, которая описывает зависимость показателя преломления от частоты (или длины волны ): или для данного вещества.

Быстроту изменения показателя преломления с изменением длины волны, т.е. величину , называют дисперсией вещества.

Дисперсию чаще характеризуют графиком зависимости показателя преломления от длины волны света в вакууме . Тогда график имеет вид, показанный на рис. 10.

 

 

Области, в которых показатель преломления возрастает с повышением частоты или убывает с увеличением длины волны, называют областями нормальной дисперсии.

Участки, на которых показатель преломления убывает с повышением частоты или возрастает с увеличением длины волны, называют областями аномальной дисперсии.

Области аномальной дисперсии совпадают с резонансными частотами колебаний электронов, при которых происходит и наибольшее (селективное.) поглощение света, т.е. показатель поглощения достигает максимального значения (пунктир на рис. 10). Аномальная дисперсия имеет большое теоретическое значение, так как дает возможность определять частоты собственных колебаний электронов в атомах и молекулах и на этом основании судить об их структуре.

Практическое значение для спектрального анализа имеют области нормальной дисперсии, при которых показатель преломления увеличивается при повышении частоты, т.е. от красного света к фиолетовому. Это характерно для бесцветных прозрачных сред. Опытные данные показателя преломления в зависимости от длины волны (в некоторых интервалах длин волн) для стекла 1, кварца 2 и флюорита 3показаны на рис. 11. Эту зависимость приближенно можно выразить формулой , где и – соответствующие постоянные.

 

 

Литература.

1. Волобуев Медицинская физика. М., 2002.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики. М., 1983.

3. Ремизов А.Н. Курс медицинской и биологической физики. М., 1987.