ĆWICZENIE 31

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA

1. Prawo Beera.

Prawo to opisuje zmiany natężenia światła zachodzące podczas jego przechodzenia przez środowisko koloidowe (rozmiary cząsteczek między 10^-7 a 10^-9 m). Według tego prawa, maleje ono wykładniczo zgodnie ze wzorem:

gdzie I_o oznacza natężenie światła padającego,

l — grubość warstwy rozpraszającej (drogę, jaką światło przebywa w koloidzie)

τ — tzw. mętność

Mętność τ zależy od długości fali świetlnej i dla cząstek mniejszych od tej długości rośnie odwrotnie proporcjonalnie do jej czwartej potęgi.

(gdzie n jest współczynnikiem proporcjonalności).

Ponieważ natężenie światła rozproszonego zależy m.in. od stężenia koloidu, zależność tę wykorzystano do wyznaczania ich stężeń przez porównanie natężenia światła rozproszonego przez koloidy o znanym i nieznanym stężeniu.

2. Prawo Lamberta.

Prawo to inaczej nazywa się prawem absorpcji. Wynika z niego, że natężenie fali absorbowanej maleje wykładniczo ze wzrostem grubości warstwy absorbenta. Zależność ta wyraża się wzorem:

gdzie I_o oznacza natężenie światła padającego,

d — grubość warstwy absorbenta

k — współczynnik absorpcji, zależny od właściwości środowiska i częstości fali padającej.

Prawo Lamberta w tej postaci odnosi się właściwie do rozchodzenia się fal w środowisku nieograniczonym, gdy absorpcja zachodzi w umownie wydzielonej z tego środowiska warstwie. Jeżeli natomiast fala przechodzi przez warstwę absorbenta umieszczoną w odrębnym środowisku, osłabienie jej natężenia jest wielokrotnie większe.

W takim przypadku wprowadzamy dodatkową wielkość fizyczną: przepuszczalność (transmisję) warstwy absorbującej D, będącą stosunkiem I_o do I_w (gdzie I_o oznacza natężenie fali padającej na absorbent, a I_w — natężenie fali wychodzącej z niego do środowiska).

3. Prawo Lamberta-Beera.

Jest to prawo stosowane w kolorymetrii przy wyznaczaniu (niewielkich) stężeń roztworów barwnych, dla których współczynnik absorpcji jest funkcją długości fali światła padającego.

gdzie I_o oznacza natężenie światła padającego,

E — stałą charakterystyczną dla danego roztworu, zależną od λ,

c — stężenie roztworu,

x — drogę światła w roztworze (grubość warstwy roztworu),

I — natężenie światła po przejściu przez roztwór.

POMIARY ABSORPCJI PROMIENIOWANIA

1. Pomiary kolorymetryczne. Są to pomiary fotometryczne światła barwnego, dokonywane przy pomocy urządzenia zwanego kolorymetrem. Składa się ono ze źródła światła, układu optycznego i pojemnika z roztworem, którego przepuszczalność świetlną chcemy zbadać. Zmiany natężenia światła oceniamy jednak wizualnie, toteż pomiary kolorymetryczne nie odznaczają się dużą precyzją.

2. Pomiary fotokolorymetryczne. Tak jak dzięki pomiarom kolorymetrycznym, analizujemy dzięki nim zmiany natężenia światła barwnego. Pomiary te są jednak wielokroć bardziej precyzyjne, ponieważ rolę detektora promieniowania gra w nich nie oko obserwatora, lecz podłączone do układu fotoogniwo. Natężenie prądu fotoelektrycznego zależy, jak wiadomo, od natężenia światła padającego na fotoogniwo. Skala fotoogniwa wycechowana jest od razu w % przepuszczalności badanego roztworu, znajdującego się między nim a źródłem światła.

Rzecz jasna, światło jest pochłaniane również w czystym rozpuszczalniku i na ściankach pojemnika z badanym roztworem. Aby zatem uniknąć błędów pomiarowych, cechujemy fotoogniwo, umieszczając w nim pojemnik z czystym rozpuszczalnikiem i zakładając, że w tych warunkach przepuszczalność wynosi 100%.

3. Pomiary spektrofotometryczne — służą do badania natężenia fali świetlnej w poszczególnych częściach widma optycznego.

ĆWICZENIE 32

ZASADA POMIARU TEMPERATURY ZA POMOCĄ TERMOOGNIWA

Termoogniw i termostosów możemy używać do pomiarów temperatury, gdyż są one bardzo czułymi termometrami. Najprostsze termoogniwo zastosowane jako termometr składa się z dwóch spojonych drutów i galwanometru. Temperatura jednego ze spojeń (A) jest stała (najczęściej jest to temperatura 273˚K), drugie spojenie (B) umieszczamy w środowisku, którego temperaturę chcemy zmierzyć.

Aby zmierzyć temperaturę, musimy najpierw wycechować termoogniowo, to znaczy wykreślić zależność wychyleń galwanometru od różnicy temperatur obu spojeń. Następnie, gdy już poznamy wartość wychylenia galwanometru, możemy odszukać na wykresie temperaturę spojenia B. Galwanometr zresztą często bywa wycechowany w stopniach, co w dużym stopniu ułatwia mierzącemu zadanie. Należy jednak przed pomiarem sprawdzić, czy w sytuacji, gdy obydwa spojenia mają jednakową temperaturę, nie obserwujemy na nim żadnego wychylenia.

Termoogniwa są znakomitymi termometrami. Pomiar temperatury trwa bardzo krótko (tym krócej, im cieńsze są druciki termoogniwa i im szybciej galwanometr osiąga odpowiednie wychylenie), a czułość pomiaru sięga 10^-3˚K (w skrajnych przypadkach do milionowych części stopnia). Ponadto termoogniwo ma małą pojemność cieplną, wobec czego jego obecność zakłóca pomiar w niewielkim stopniu. Warto wspomnieć również o bardzo małych rozmiarach takiego termometru.

PROMIENIOWANIE PODCZERWONE

Promieniowanie podczerwone (o długości fali zawartej między 0,7 μm a 1 mm) jest częścią widma elektromagnetycznego, przenoszącą energię, która wywołuje w materii zjawiska termiczne. Niekiedy niezbyt precyzyjnie nazywa się je promieniowaniem termicznym. Głównym źródłem promieniowania podczerwonego na Ziemi jest Słońce, ale należy pamiętać, wysyłają je wszystkie ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego.

Promieniowanie podczerwone charakteryzuje się zdolnością przenikania przez materię, zaczerniania kliszy fotograficznej i wywoływania niektórych procesów chemicznych. Przenoszona przez nie energia pochłaniana przez ciało powoduje wzrost jego temperatury.

Jako detektorów (urządzeń służących do wykrywania) promieniowania podczerwonego używa się zwykle różnego rodzaju układów, które zmieniają swoje właściwości pod wpływem zmian temperatury.

ĆWICZENIE 33

SKRĘCENIE PŁASZCZYZNY POLARYZACJI W POLU MAGNETYCZNYM

Przezroczyste ciała izotropowe (np. woda), umieszczone w polu magnetycznym, powodują skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła, które przenika przez nie w kierunku równoległym do linii sił pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1846 r. przez Faraday'a i dlatego nosi nazwę zjawiska Faraday'a.

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji pojawia się i znika wraz z pojawianiem się i znikaniem pola magnetycznego. Zależność kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji od indukcji magnetycznej B tego pola wyrażona jest prawem Verdeta:

α = V B L

gdzie α jest kątem skręcenia wyrażanym w radianach (rad)

B — wartością indukcji magnetycznej pola

L — długością warstwy ośrodka, przez który przenika światło (w przypadku komórki Faraday'a

długością rurki z badaną substancją, wokół której owinięty jest solenoid)

V — tzw. stałą Verdeta

Jednostką stałej Verdeta jest
.

Urządzenie służące do badania zjawiska Faraday'a nazywa się komórką Faraday'a (KF) i składa się z rurki z badaną substancją, dookoła której owinięty jest solenoid. Komórkę Faraday'a umieszczamy pomiędzy polaryzatorem a analizatorem, a do całości układu dołączamy fotopowielacz.

ĆWICZENIE 34

POLARYZACJA ŚWIATŁA — LINIOWA, KOŁOWA, ELIPTYCZNA

Przy liniowej polaryzacji fali świetlnej wektor świetlny
i kierunek promienia r wyznaczają płaszczyznę drgań, zwaną płaszczyzną polaryzacji. Rzut końca wektora
na płaszczyznę EH kreśli odcinek.

Kołowa polaryzacja fal świetlnych polega na tym, że wektor
obraca się wokół promienia r jako osi obrotu. Jego koniec zakreśla wówczas linię śrubową, a rzut końca wektora
na płaszczyznę EH zakreśla okrąg. Gdy okrąg ten zakreślany jest zgodnie z ruchem wskazówek zegara, mówimy, że światło jest spolaryzowane kołowo w prawo; gdy jest zakreślany przeciwnie do ruchu wskazówek zegara — mówimy o świetle spolaryzowanym kołowo w lewo.

Eliptyczna polaryzacja fal świetlnych podobna jest do polaryzacji kołowej, z tym że rzut końca wektora
zakreśla na płaszczyźnie EH elipsę. Bywa ona w różnym stopniu spłaszczona, a jej osie mogą być rozmaicie zorientowane w płaszczyźnie prostopadłej do promienia.

PRYZMAT NICOLA

Pryzmat Nicola, zwany po prostu nikolem, jest często używanym polaryzatorem o specyficznej budowie. Jest to układ dwóch odpowiednio oszlifowanych kawałków szpatu islandzkiego, sklejonych balsamem kanadyjskim i o poczernionych bocznych ścianach.

Promień światła niespolaryzowanego wpadający do nikola dzieli się oczywiście na promień zwyczajny i nadzwyczajny. Promień zwyczajny pada na warstwę balsamu kanadyjskiego i ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, po czym kieruje się na poczernioną ścianę boczną nikola i zostaje pochłonięty. Promień nadzwyczajny przechodzi przez warstwę balsamu (ponieważ jest on dla niego środowiskiem optycznie gęstszym), po czym wydostaje się na zewnątrz pryzmatu i mpoże być wykorzystany w określonych celach badawczych i praktycznych, np. w polarymetrach, fotometrach i innych przyrządach.

POLAROIDY

Polaroidy są to silnie rozciągnięte w jednym kierunku błony poliwinylenu. Zjawisko dichroizmu, będące podstawą ich działania, polega na tym, że jeden z promieni padających na polaroid jest pochłaniany znacznie silniej niż drugi; jeżeli błona jest dostatecznie gruba, wychodzi z niej tylko jeden z promieni — oczywiście spolaryzowany. W zakresie długości fal od 400 do 650 nm stopień polaryzacji przekracza 99%, a przezroczystość polaroidu jest bardzo dobra. Polaroidy mają wiele zalet: przede wszystkim są tańsze i łatwiejsze w przechowywaniu od polaryzatorów krystalicznych. Istotną wadą jest jednak to, że światło przechodzące (wskutek selektywnego pochłaniania w płytce) w niektórych gatunkach jest lekko zabarwione. Dlatego w precyzyjnych badaniach i pomiarach używa się raczej polaryzatorów krystalicznych.

PRAWO MALUSA. NATĘŻENIE SPOLARYZOWANEJ FALI ŚWIETLNEJ

Polaryzatorów — zarówno krystalicznych, jak i polaroidów — możemy używać do zmiany natężenia fali świetlnej. Stosuje się w tym celu układy polaryzatorów (najczęściej dwóch), których osie optyczne są ustawione do siebie pod różnymi kątami. Pierwszy z nich nosi wówczas nazwę polaryzatora, drugi — analizatora.

Natężenie fali świetlnej po przejściu przez układ polaryzatorów charakteryzuje prawo Malusa:

I = I_o · cos ²α

gdzie I_o jest natężeniem światła padającego na pierwszy polaryzator,

I natężeniem światła po przejściu przez obydwa polaryzatory,

a α — wartością kąta, pod jakim osie optyczne polaryzatorów są do siebie ustawione.

Przez układ dwóch polaryzatorów, których osie optyczne są równoległe (α = 0˚, cos α = 1) światło przechodzi praktycznie bez zmiany natężenia. Jeżeli jednak osie optyczne polaryzatorów są do siebie prostopadłe (α = 90˚, cos α = 0), następuje całkowite wygaszenia fali świetlnej; mówimy wówczas, że polaryzatory są skrzyżowane. Innymi słowy, pierwszy z polaryzatorów pochłania pionową składową drgań świetlnych, drugi zaś — składową poziomą (lub odwrotnie), co w rezultacie daje pochłonięcie całej wiązki.

DWÓJŁOMNOŚĆ WYMUSZONA

Jak wiadomo, podwójne załamanie światła zachodzi w normalnych warunkach wyłącznie w specjalnych ośrodkach, czyli w kryształach dwójłomnych. Dwójłomnymi można jednak w sposób sztuczny uczynić również środowiska izotropowe — mamy wówczas do czynienia ze zjawiskiem tzw. dwójłomności wymuszonej.

Jak wiadomo, miarą dwójłomności kryształu δ jest różnica współczynników załamania dla promieni Z i N biegnących prostopadle do osi optycznej kryształu (to jest w kierunku, w którym różnica ich prędkości jest największa).

δ = n_n - n_z

Przed blisko stu laty Kerr odkrył zjawisko powstawania dwójłomności w substancjach izotropowych umieszczonych w silnym polu elektrycznym. Dwójłomność jest wówczas proporcjonalna do kwadratu natężenia tego pola:

n_n - n_z = kE²

Analogiczne, choć nieco mniej wyraźne zjawisko odkryli Cotton i Mouton w polu magnetycznym. Tu dwójłomność wymuszona jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola magnetycznego H:

n_n - n_z = kH²

Zjawisko dwójłomności wymuszonej zaobserwowano także w materiałach, które uległy odkształceniom mechanicznym.

CIAŁA OPTYCZNIE CZYNNE. SKRĘCALNOŚĆ WŁAŚCIWA.

Substancjami (ciałami) optycznie czynnymi nazywamy takie, w których zachodzi skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo. Kąt skręcenia α zależy zarówno od rodzaju substancji i długości fali użytego światła, jak i od stężenia c (dla roztworów) i grubości warstwy skręcającej l.

• Dla kryształów α = kl, gdzie k oznacza tzw. skręcalność właściwą (skręcenie właściwe). Jest ona liczbowo równa wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji po przejściu światła spolaryzowanego przez warstwę kryształu o jednostkowej grubości (w polarymetrii przyjmuje się ją zwyczajowo jako 1 dm).

• Dla roztworów α = kcl, gdzie skręcalność właściwa k jest równa wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji po przejściu światła spolaryzowanego przez warstwę roztworu o jednostkowej grubości i jednostkowym stężeniu (zwykle jest to 1000 g/dm³).

Skręcalność właściwa zależy również od temperatury i od długości padającej fali świetlnej (w przybliżeniu jest ona odwrotnie proporcjonalna do kwadratu długości fali).

Przykładami substancji optycznie czynnych są liczne związki organiczne zawierające tzw. asymetryczny atom węgla (taki, który posiada cztery różne podstawniki) i nie mające wewnętrznej płaszczyzny symetrii. Każda cząsteczka takiego związku może występować w kilku różnych konfiguracjach przestrzennych, z których dwie, zwane enancjomerami, stanowią swoje lustrzane odbicia. Jedna z nich skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, druga w lewo; stąd nazwa: izomery prawo- i lewoskrętne. Należy dodać, że jeżeli obydwa izomery optyczne zmieszamy w równych ilościach molowych, całość mieszaniny jest optycznie nieczynna. Nazywamy ją wówczas racematem.

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA POLARYMETRU

Polarymetr jest urządzeniem pozwalającym określić kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez substancję optycznie czynną. Najprostszy polarymetr składa się z dwóch nikoli: polaryzatora P i analizatora A, ustawionych jeden za drugim i rozdzielonych rurką z badaną substancją (roztworem). Analizator można obracać wokół osi podłużnej; kąt obrotu odczytujemy na podziałce kątowej. Analizując wartości uzyskanych kątów obrotu, możemy ocenić stopień skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego przez roztwór znajdujący się w rurce.

Polarymetry służące do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwory cukrów nazywamy sacharymetrami.

WYZNACZANIE STĘŻEŃ ROZTWORÓW OPTYCZNIE CZYNNYCH ZA POMOCĄ POLARYMETRU

Kolejność postępowania przy przeprowadzaniu doświadczenia jest następująca:

1. Umieszczoną między polaryzatorami rurkę napełniamy wodą destylowaną (jako cieczą nie skręcającą płaszczyzny polaryzacji). Przez obrót analizatora o kąt α osiągamy całkowite wygaszenie światła w polu widzenia przyrządu. Nikole są wówczas skrzyżowane.

2. Napełniamy rurkę substancją optycznie czynną. Ponieważ płaszczyzna polaryzacji ulega w rurce skręceniu, pole widzenia rozjaśnia się. Aby doprowadzić do ponownego wygaszenia, musimy obrócić analizator o kolejny kąt β, tak, aby płaszczyzna polaryzacji znowu stała się prostopadła do osi optycznej analizatora. Wartość kąta β jest szukanym kątem skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

3. Znając kąt β, długość rurki zawierającej badany roztwór i jego skręcalność właściwą, możemy wyliczyć jego stężenie z odpowiedniego wzoru:

.

ĆWICZENIE 35

REFRAKCJA MOLOWA SUBSTANCJI

Refrakcja molowa substancji R jest wielkością charakteryzującą zjawiska załamania światła w niej zachodzące; jest ona niezależna od zmian zarówno temperatury, jak i stanu skupienia tej substancji. Jej związek ze współczynnikiem załamania światła ma postać:

gdzie M jest masą cząsteczkową substancji,

ρ — jej gęstością,

n — bezwzględnym współczynnikiem załamania światła.

REFRAKTOMETRY

Refraktometry są urządzeniami służącymi do pomiaru współczynnika załamania cieczy (a w szczególnych przypadkach również i ciał stałych). W ich budowie wykorzystuje się zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia zachodzącego przy przechodzeniu światła z ośrodka optycznie gęstszego (pryzmat) do optycznie rzadszego (ciecz, której współczynnik załamania badamy).

Przy takim przejściu, jak wiadomo, z ośrodka gęstszego wydostaje się tylko część promieni świetlnych — mianowicie tych, które na granicę ośrodków padły pod kątem α mniejszym od tzw. kąta granicznego α_gr. Pozostałe promienie ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, co dla obserwatora przedstawia się następująco: w ośrodku gęstszym pojawia się „stożek” promieni świetlnych, na zewnątrz których rozciąga się obszar ciemny.

Promienie układające się w kształcie stożka padają na skalę refraktometru, tworząc na niej jasne pole na ciemnym tle. Odczytując wskazanie skali przypadające na granicę między tymi polami, poznajemy współczynnik załamania badanej cieczy — bardzo często skala refraktometru jest wycechowana od razu w wartościach współczynnika załamania.

Czasami zdarza się, że granica między jasnym i ciemnym polem widzenia na skutek rozszczepienia światła nie jest ostra; tę wadę refraktometru usuwa się, stosując zespół pryzmatów zwany kompensatorem.

Wśród refraktometrów wyróżniamy refraktometr zanurzeniowy i refraktometr Abbego.

Refraktometr zanurzeniowy składa się z pryzmatu pomiarowego, urządzenia kompensacyjnego i lunetki obserwacyjnej. Zasada jego działania jest następująca: światło wchodzi do naczynia z badaną cieczą, a następnie do zanurzonego w niej pryzmatu pomiarowego (który jest od niej optycznie gęstszy), i rozchodzi się w nim w obrębie stożka, którego rozwartość wyznacza kąt graniczny. Powstająca granica między polem jasnym wnętrza stożka i zewnętrznym ciemnym pada na skalę refraktometru, z której odczytujemy wynik pomiaru. Jeśli zmienimy ciecz, w której zanurzony jest pryzmat, wartość kąta granicznego zmieni się. Co za tym idzie, zmianie ulega również rozwartość stożka; granice światła i cienia zmieniają swoje położenie, co na tle skali odpowiada innemu współczynnikowi załamania.

Refraktometr Abbego składa się z dwóch pryzmatów: górnego, pomocniczego, i dolnego, pomiarowego. Między nimi znajduje się kropla badanej cieczy. Promienie światła po przejściu przez górny pryzmat wchodzą do warstewki tej cieczy, a następnie do dolnego pryzmatu, z którego są rzucane bezpośrednio na skalę. Zasada działania refraktometru Abbego jest identyczna jak w przypadku refraktometru zanurzeniowego: warstewka cieczy i pryzmat pomiarowy odpowiadają pryzmatowi pomiarowemu i cieczy, w której jest on zanurzony. Refraktometr Abbego ma jednak tę dużą zaletę, że do zbadania współczynnika załamania wystarczy nam niewielka ilość, często zaledwie kropla cieczy.

Refraktometry znalazły zastosowanie również w pomiarach stężeń roztworów. Okazuje się bowiem, że współczynnik załamania światła zależy liniowo od stężenia roztworu; w związku z tym wystarczy sporządzić wykres współczynników załamania dla kilku roztworów o znanym stężeniu, aby następnie, na podstawie współczynnika załamania zmierzonego refraktometrem, można było znaleźć na wykresie stężenie badanego roztworu.

20218/L → 2374505

---