Какое свойство зрения используется при работе с сахариметром

В настоящее время в технохимическом контроле бродильных производств применяют два основных метода определения содержания углеводов: поляриметрический и химический. Известны также колориметрический, хроматографический и полярографический методы определения углеводов, изложенные в следующих разделах этой главы.

Свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся от источника света во все стороны по прямым линиям (лучам). Различают лучи естественные и поляризованные. Луч, колебания которого происходят во всех плоскостях, перпендикулярных его направлению, называется естественным лучом (рис. 27). Поляризованным лучом называется такой луч, колебания которого происходят только в какой-либо одной плоскости. Плоскость, в которой происходят колебания луча, называется плоскостью колебаний поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная ей, — плоскостью поляризации.

Способность веществ и растворов изменять (вращать) плоскость поляризации света называется оптической активностью. Вещества, способные вращать плоскость поляризации света, являются оптически активными. В противоположность им вещества, не способные изменять плоскость поляризации света, оптически неактивны. Углеводы относятся к оптически активным веществам. Оптическая активность углеводов обусловлена наличием в их молекуле асимметрических атомов углерода, т.е. таких, все четыре валентные связи которых соединены с различными атомами или группами атомов. Углеводы, как и другие органические вещества, содержащие асимметрический углерод, проявляют оптическую активность в растворенном состоянии. На свойстве оптической активности углеводов основан поляриметрический метод их определения.

Различают вещества, изменяющие плоскость поляризации света по часовой стрелке — правовращающие — и изменяющие ее против часовой стрелки — левовращающие. К правовращающим веществам относятся глюкоза, сахароза, раффиноза, крахмал, к левовращающим — фруктоза. Если через раствор оптически активного вещества проходит поляризованный луч, то он вращает плоскость поляризации. Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Величина этого угла зависит от природы вещества, толщины слоя раствора (длина пути луча), концентрации раствора, длины волны поляризуемого света и температуры.

Для сравнения оптической активности различных оптически активных веществ и использования этого явления в аналитической практике введено понятие удельного вращения. Удельным вращением называют угол, на который поворачивается плоскость поляризации под действием раствора, содержащего 100 г вещества в 100 мл раствора при толщине слоя этого раствора 1 дм (100 мм); условились удельное вращение измерять при температуре 20° С в желтом свете натриевого пламени и обозначать индексом [a]20D . Каждое оптически активное вещество характеризуется определенной величиной удельного вращения при растворении его в определенном растворителе. Ниже приведены величины удельного вращения некоторых углеводов [a]20D

Знак «+» означает правое вращение, знак «-» -левое.

Свежеприготовленные растворы некоторых сахаров не сразу проявляют свойственное им удельное вращение. Вращательная способность таких растворов изменяется на холоде медленно, а при известных условиях (нагревание, незначительное добавление щелочи) — быстро. Это явление постепенного изменения удельного вращения называется мутаротацией и объясняется наличием а- и b-форм молекул сахаров. Например, a-d-глюкоза имеет удельное вращение [а]20D = +110°, а a-d-глюкоза +19°. Свежеприготовленный раствор одной из этих форм постепенно изменяет вращение, пока величина его не достигнет среднего значения, соответствующего удельному вращению +52,5°, при котором обе формы глюкозы находятся в равновесии.

Удельное вращение оптически активного вещества в растворе выражается формулой

где а — наблюдаемый угол поворота плоскости поляризации; С — концентрация оптически активного вещества, г/100 мл раствора; l — толщина слоя раствора, дм.

Пользуясь указанной формулой, можно по величине угла поворота плоскости поляризации а найти концентрацию оптически активного вещества С. Прибор, при помощи которого можно измерить угол поворота плоскости поляризации, производимого оптически активным веществом, называется поляриметром.

Устройство поляриметра

Основными частями поляриметра являются поляризатор и анализатор. Поляризатор служит для получения поляризованного света, анализатор — для его исследования и обнаружения. В качестве поляризатора и анализатора обычно пользуются призмами Николя (рис. 28). Такая призма выпиливается из кристалла исландского шпата и состоит из двух частей abd и bcd, склеенных по плоскости bd. Луч света l, входя в кристалл, делится на два поляризованных луча mp и mo. Луч mo, обладающий большим коэффициентом преломления, претерпевает полное внутреннее отражение от слоя склеивающего вещества bd и уходит в сторону or. Луч mpqs с меньшим коэффициентом преломления проходит сквозь призму. Таким образом, первая призма Николя (поляризатор) дает возможность получить поляризованный свет. Призма Николя пропускает лишь световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости; колебания, лежащие в перпендикулярной плоскости, она совершенно не пропускает. Поэтому, если пропустить луч света последовательно через две призмы Николя, расположенные одна за другой, то могут наблюдаться различные явления в зависимости от того, как повернута вторая из призм. Когда поляризатор и анализатор установлены взаимно параллельно, то лучи света проходят через обе призмы (рис. 29, а). Если же анализатор повернуть на 90° (рис. 29, б), то он не пропустит лучей, полученных в поляризаторе; в этом случае после анализатора свет не будет наблюдаться. Такое положение называется постановкой николей «на темноту».

Оптическую активность можно наблюдать в простейшем поляриметре (рис. 30) следующим образом. Между поляризатором Р и анализатором А, поставленными «на темноту», помещают оптически активное вещество R. Поляризованный луч после прохождения через это вещество повернется на угол, соответствующий оптической активности вещества, и подойдет к анализатору не под углом 90°, а под другим. После анализатора виден будет свет. Чтобы погасить его, придется повернуть анализатор на некоторый угол, равный углу поворота плоскости поляризации при прохождении его через вещество R. Таким образом можно определить угол поворота плоскости поляризации. Однако такой поляриметр не может быть использован для точных работ, так как человеческий глаз не способен четко отличить полную темноту от очень слабого света. Глаз легко и точно различает разницу в интенсивности освещения двух лежащих рядом слабоосвещенных плоскостей. Для этого в поляриметре должно быть так называемое «полутеневое» устройство; поляриметр с таким устройством называется полутеневым. Можно получить полутеневой поляриметр, применив вместо обычного поляризатора поляризатор Корню.

Устройство этого поляризатора следующее. Призму Николя распиливают вдоль пополам по линии АВ (рис. 31); затем от каждой половины удаляют острый клин Aba и Abc, обе оставшиеся половины вновь склеивают. Поляризованные лучи, выходящие из правой и левой половин призмы, не будут параллельны один другому, а расположатся под некоторым углом. Поворотом анализатора можно погасить только один из пучков этих лучей, а другой пройдет через анализатор и поле зрения будет состоять из двух половин — светлой и темной (рис. 32, а и в). Если поставить анализатор под одинаковым углом (близким к 90°) к обеим половинам призмы Корню, то получим одинаковое слабое освещение — «полутень» (рис. 32, б).

Призма Корню не совсем удобна, так как в ней видна линия, по которой склеены половины призмы, что мешает наблюдению. Этот недостаток устранен в поляризаторе Липпиха (рис. 33), который состоит из двух призм Николя — большой Р и малой H, расположенных так, что меньшая из них закрывает половину поля зрения и повернута на небольшой угол относительно большой призмы. При этом, если анализатор установлен «на темноту» относительно большой призмы, то одна половина поля будет освещена, а вторая слабо освещена. Если же его установить «на темноту» относительно малой призмы, то первая половина поля будет освещена, а вторая затемнена. Между этими двумя положениями анализатора можно найти такое, при котором оба поля будут слабо и равномерно освещены (см. рис. 32, б).

В контроле бродильных производств применяют поляриметры, предназначенные для определения сахарозы, — так называемые сахариметры. В поляриметрах-сахариметрах анализатор устанавливают неподвижно и вместо вращения анализатора применяют кварцевые компенсаторы. Кварц является оптически активным веществом; существуют две разновидности кварца — право- и левовращающий. Если между поляризатором и анализатором поместить два кварцевых клина — один правовращающий, а другой — левовращающий — так, чтобы толщина слоя одного равнялась толщине слоя другого, то вращательная способность их будет равна нулю.

Кварцевый компенсатор состоит из правовращающей кварцевой пластинки Р и двух левовращающих клиньев К1 и K2 (рис. 34, а), из которых более длинный — К2 может двигаться параллельно клину К1. Если оба клина сложить плотно, то они составят пластинку с параллельными сторонами, вращающую влево. Толщину этой пластинки можно менять, вдвигая более или менее клин К2: если его вдвинуть больше, то левовращающий слой кварца станет толще, чем правовращающая кварцевая пластинка Р, и вся кварцевая система (в целом) будет вращать влево, что даст возможность компенсировать правое вращение исследуемого сахарного раствора. Если выдвигать постепенно назад клин К2, то сначала получится система, не вращающая ни вправо, ни влево (сумма толщин К1 и К2 станет равна толщине Р). Затем, при дальнейшем движении клина, перевесит правая вращательная способность пластинки Р и получится правовращающая система, способная компенсировать левое вращение.

Применяют и другую систему кварцевой компенсации (см. рис. 34,б), которая состоит из двух клиньев K1 и К2. Клин К2 из левовращающего кварца — подвижный, клин К1 из правовращающего кварца — неподвижный. Клинья своими более тонкими концами направлены в одну сторону. Луч света проходит через большую толщину клина К2 и через малую толщину клина K1; в этом случае клиновая система вращает влево и может компенсировать вращение раствора правовращающего вещества. Если же подвижный клин К2 передвинуть так, чтобы на пути света оказалась тонкая часть его, то перевесит правое вращение клина К1 и клиновая система будет вращать вправо, компенсируя вращение какого-либо раствора левовращающего вещества.

Луч света, проходя через клинья К1 и К2, направленные суженными концами в одну сторону, конечно, будет преломляться и изменит свое направление и, кроме того, еще разложится в спектр. Чтобы этого не произошло, ставят дополнительную компенсирующую стеклянную призму С, которая направлена тонким концом в другую сторону по сравнению с клиньями К1 и К2 и поэтому восстанавливает прежнее направление луча света (см. рис. 34, б).

Описанная клиновая кварцевая компенсация называется одинарной. Часто применяются поляриметры с двойной клиновой компенсацией. Двойная компенсация имеет две пары клиньев (рис. 35). Одна пара так называемых контрольных клиньев К изготовлена из правовращающего кварца и служит для измерения вращения левовращающих веществ; вторая пара клиньев, так называемых рабочих клиньев А, изготовлена из левовращающего кварца и служит для измерения вращения правовращающих веществ. Преимущество поляриметров с кварцевым компенсатором заключается в увеличении точности отсчетов, так как толщину кварцевого клина при изменении его положения можно измерить точнее, чем угол поворота анализатора.

Светофильтр. При поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов одна половина поля зрения сахариметра имеет слегка желтоватый оттенок, а другая — голубоватый. Для поглощения и тем самым устранения возможности появления различных окрасок устанавливают светофильтр. В качестве светофильтра применяют трубку с раствором двухромовокислого калия (К2Сг2О7) или желтое стекло. При поляризации окрашенных растворов, например мелассы, которые сами имеют желтую окраску и поглощают лучи нежелательной части спектра, пользоваться светофильтром необязательно. Поэтому при работе с окрашенными растворами в целях улучшения освещения поля зрения иногда выводят светофильтр из оптической системы поляриметра.

Освещение поляриметра. При применении поляриметра с подвижным анализатором необходимо пользоваться монохроматическим (одноцветным) светом, например желтым светом натриевого пламени. Пользоваться в этом случае сложным белым светом нельзя, так как лучи разной длины волны поворачиваются на различные углы и получается вращательная дисперсия: у лучей с короткой волной, например фиолетовых, плоскость поляризации поворачивается на больший угол, чем у лучей с длинной волной, например красных. Поэтому при пользовании сложным белым светом в таком поляриметре нельзя добиться поворотом анализатора слабого равномерного освещения обеих половин поля зрения. Наличие в сахариметре кварцевого компенсатора дает возможность пользоваться обычным белым, а не монохроматическим светом. Вращательная дисперсия для кварца почти такая же, как и для сахарных растворов. Поэтому белый поляризованный свет, разложенный при прохождении через сахарный раствор на составные лучи с различным поворотом плоскости поляризации, при дальнейшем прохождении через кварцевый компенсатор вновь превращается в первоначальный белый свет, а разложенные лучи вновь складываются в первоначальный луч. В качестве источника света для сахариметров применяют матовые лампы накаливания 100 вт; в настоящее время выпускают сахариметры, у которых лампа вставлена в прибор.

Шкалы поляриметра. Существуют поляриметры с круговой и линейной (эмпирической) шкалой. Круговая шкала градуирована в угловых градусах линейная — в процентах сахарозы. В бродильной промышленности применяют поляриметры с линейной шкалой. Эта шкала дает отсчет 100 в том случае, если в 100 мл водного раствора содержится 26,00 г чистой сахарозы и раствор поляризуют в трубке длиной 200 мм; все операции выполняют при 20° С. Навеска 26,00 г называется нормальной. Таким образом, если нормальную навеску х. ч. сахарозы растворить в воде и довести объем раствора до метки в колбе на 100 мл, то такой раствор в трубке длиной 200 мм даст по шкале отсчет, равный 100,0%. Если взять нормальную навеску какого-либо продукта (например, мелассы или сахарного сиропа), содержащего n% сахарозы, то очевидно, по шкале получится отсчет n%. Следовательно, для того чтобы получить непосредственно на шкале поляриметра процент сахарозы в исследуемом продукте, следует соблюдать следующие условия: 1) навеска исследуемого продукта должна быть точно 26,00 г; 2) эта навеска должна быть растворена до объема 100 мл; 3) поляризация раствора проводится в трубке длиной 200 мм.

Линейная шкала поляриметра дает возможность вести отсчет с точностью до 0,1 деления. Для отсчета десятых долей служит нониус. На рис. 36,а показано положение шкалы относительно нониуса, соответствующее отсчету +12,7. При этом нуль нониуса расположен после 12 полных делений шкалы, а седьмое деление нониуса совпадает с одним из делений шкалы. На рис. 36,б показано положение нониуса, соответствующее отсчету -3,2. В этом случае нуль нониуса расположен левее шкалы на три полных деления шкалы, а второе деление нониуса совпадает с делением шкалы.

Поляриметрические трубки и пользование ими. При поляриметрических определениях исследуемый раствор наливают в поляриметрическую трубку (рис. 37). Трубки изготовляют из металла (латунь, медь) и стекла. При исследовании растворов с кислой реакцией следует пользоваться только стеклянными трубками. Длина трубок 100, 200 и 400 мм. Трубка длиной 200 мм считается нормальной. Длину трубок проверяют специальными штангенциркулями, дающими показание с точностью до 0,1 мм. Трубки закрывают покровными стеклами, прижимая их к концам трубок гайками; для уплотнения между покровными стеклами и гайками прокладывают резиновые кольца. Перед употреблением покровные стекла следует вымыть и вытереть досуха. Трубка должна быть чистой и сухой. Высушивают трубку, проталкивая сквозь нее деревянной палочкой тампон из фильтровальной бумаги. Если перед наполнением трубка не была высушена, то ее ополаскивают 2 раза исследуемым раствором. Наполняют трубки следующим образом: трубку закрывают с одного конца стеклом и гайкой, берут ее двумя пальцами, держат наклонно (чтобы в трубку не увлекались пузырьки воздуха) и наливают в нее столько жидкости, чтобы она выступала поверх краев трубки в виде капли. Затем закрывают трубку сверху покровным стеклом, двигая его с одной стороны в горизонтальном направлении по бортику трубки, как бы срезая выступающую каплю жидкости; закрывать трубку надо быстро и аккуратно так, чтобы под покровным стеклом не осталось пузырька воздуха. Если это не удалось сделать сразу, то, вытерев досуха стекло и долив трубку, следует повторить эту операцию. Покровные стекла нельзя прижимать слишком сильно, так как при этом они могут стать оптически активными.

Схема сахариметра. Выпускаемые в настоящее время Киевским заводом КИП сахариметры СУ-1 и СУ-2 имеют следующую схему (рис. 38). Свет от электролампы 1 проходит через матовое стекло 2 или светофильтр 3, затем через конденсаторную линзу 4 и поступает в поляризатор 5. Поляризованный луч из поляризатора проходит два защитных стекла 6 и 7, между которыми помещается поляриметрическая трубка с исследуемым раствором. За защитным стеклом 7 установлен кварцевый компенсатор, состоящий из трех клиньев: подвижного кварцевого клина 8, стеклянного контрклина 9 и неподвижного кварцевого клина 10. Далее установлен анализатор 11 и зрительная труба, состоящая из двухлинзового объектива 12, 13 и окуляра 14. От электролампы 1 свет попадает также в отражательную призму 15 и, отражаясь, падает на защитное стекло 16. Это стекло рассеивает свет, который затем освещает шкалу 17 и нониус 18. Цифры и деления на шкале и нониусе рассматривают в увеличенном виде при помощи окуляра, состоящего из двух линз 19 и 20. Шкала 17 связана с подвижным кварцевым клином 8. Таким образом, смещение подвижного кварцевого клина 8, пропорциональное углу вращения плоскости поляризации, передается на шкалу 17 и отсчитывается при помощи окуляра шкалы 19-20.

Установка сахариметра. Сахариметр должен быть установлен на столе в темной комнате длиной около 2 и шириной 1,2 м со стенами, окрашенными в черный цвет. Если такой комнаты нет, над поляриметром устанавливают колпак из фанеры. Длина колпака 1,2, ширина 0,9 и высота 0,8 м. Изнутри колпак окрашивают в черный цвет. На отверстие колпака, обращенное к наблюдателю, навешивают портьеру из темной и плотной материи. Для удобства работы стол с прибором должен быть расположен так, чтобы поляризующий сидел спиной к окну. Это исключает проникновение дневного света в глаз наблюдателя и уменьшает утомляемость глаз при наблюдении. У стола, на котором установлен сахариметр, должны быть два выключателя: один — к электролампе, освещающей поляриметрическую комнату, а второй — к электролампе прибора.

Практика пользования сахариметром. Поляризацию проводят следующим образом. Окуляр анализатора 1 (рис. 39) устанавливают на ясную видимость и вращением винта 2 добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения; показания сахариметра при этом должны быть равны нулю. Затем в камеру сахариметра 3 помещают поляриметрическую трубку, наполненную исследуемым раствором. Поле зрения сахариметра разделяется по вертикальной линии на две половины (см. рис. 32, а) — темную и светлую. Тогда вращением винта 2 вновь добиваются одинаковой интенсивности освещения обеих половин поля зрения, после чего проводят отсчет. Для большей точности следует проводить поляризацию 2-3 раза подряд (не вынимая трубки) и из полученных отсчетов выводить среднее.

Сахариметр следует содержать в абсолютной чистоте. Поляриметрическая трубка, помещенная в сахариметр, должна быть совершенно сухой и чистой. Правильность показаний сахариметра проверяют специальными контрольными трубками.

Осветлители

Растворы исследуемых продуктов для поляризации должны быть совершенно прозрачны и возможно меньше окрашены. Чем интенсивнее окраска раствора, тем труднее проводить определение содержания крахмала или сахара, так как меньше заметна разница в интенсивности освещения обеих половин поля зрения. Поэтому окрашенные продукты перед поляризацией осветляют. При осветлении удаляются также другие оптически активные вещества, например белки. Так, при исследовании мелассы ее осветляют реактивом Герлеса. Этот реактив состоит из двух растворов: Герлес I и Герлес II. Герлес I представляет собой раствор азотнокислого свинца, Герлес II — раствор едкого натра. При исследовании сахарной свеклы и других сахарсодержащих продуктов в качестве осветлителя применяют основной уксуснокислый свинец, для крахмалсодержащих продуктов — молибденовокислый аммоний.

Автоматический сахариметр

В настоящее время Киевский завод КИП выпускает фотоэлектрический автоматический поляриметр типа СА конструкции В. И. Кудрявцева. Этот поляриметр выполняет автоматически компенсацию вращения плоскости поляризации раствором и дает отсчет процентного содержания сахара. Основная схема сахариметра конструкции Кудрявцева (рис. 40) такова. Свет от электролампы 1 через конденсор 2 поступает в поляризатор 3. Поляризованный свет, плоскость поляризации которого приводится в колебание магнитооптическим модулятором 4, проходит через светофильтр 5, поляриметрическую трубку с исследуемым раствором 6, диафрагму 7, кварцевый компенсатор 8, 10, стеклянный контрклин 9, анализатор 11 и попадает на фотоэлемент 12. Фотоэлемент преобразует колебания интенсивности света в переменный электрический ток.

В отличие от обычного поляриметра роль поляризатора и анализатора выполняют не призмы Николя, а поляроиды, состоящие из пластинки с нанесенным слоем органических соединений йода; поляроиды устанавливаются в положении «накрест». При отсутствии трубки с раствором оптически активного вещества свет из анализатора не выходит. Когда между поляриметром и анализатором помещают трубку с исследуемым раствором, то на фотоэлемент падает свет, интенсивность которого зависит от угла вращения плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации исследуемым раствором компенсируется перемещением подвижного клина 8 кварцевого компенсатора, причем это перемещение пропорционально углу вращения плоскости поляризации, следовательно, пропорционально и концентрации раствора.

Отсчет показаний прибора проводится по шкале 19, связанной с подвижным клином 8 кварцевого компенсатора и снабженной нониусом 18. Для удобства отсчета показаний деления и цифры шкалы и нониуса проецируются на полупрозрачный экран 21 оптической проекционной системы, состоящей из осветителя 16, конденсора 17 и объектива 20. Подвижный клин и связанная с ним шкала перемещаются реверсивным двухфазным двигателем 13 через редуктор 14 и кремальерную передачу 15. Одна из обмоток электродвигателя питается через понижающий трансформатор 26 и стабилизатор напряжения 27 от сети переменного тока с частотой 50 гц. Вторая обмотка питается от усилителя переменного тока 22, на входе которого включен фотоэлемент 23. Ток на усилитель поступает через выпрямители 24 и 25. Электродвигатель вращается при подаче на обмотки переменного напряжения с частотой 50 гц.

Определение содержания сахарозы в мелассе

Содержание сахарозы в мелассе определяют следующим образом. Нормальную навеску мелассы (26,00 г) с помощью теплой воды (здесь и далее, где специально не оговорено, имеется в виду дистиллированная вода) переводят в мерную колбу на 100 мл, охлаждают до 20° С, прибавляют для осветления 8-10 мл растворов реактива Герлеса. Растворы Герлеса добавляют в 4-5 приемов; после каждого прибавления раствора азотнокислого свинца добавляют такое же количество раствора едкого натра, смесь перемешивают легким вращением колбы в течение 1,5-2 мин, затем опять в том же порядке прибавляют осветлитель. Содержимое колбы доводят до метки водой (при температуре 20° С), взбалтывают и после 2-5 минутного стояния фильтруют и поляризуют в трубке длиной 200 мм. Показание поляриметра дает непосредственно процент сахарозы в исследуемой мелассе.

Определение содержания крахмала в зерне

Содержание крахмала в зерне определяют по методу Эверса, который предусматривает превращение нерастворимого крахмала зерна в растворимый путем нагревания с разбавленной соляной кислотой. Навеску размолотого зерна 5,0000 г (т.е. с точностью до 0,0001 г) количественно переносят (через воронку с отрезанным концом) в сухую мерную колбу на 100 мл, приливают 25 мл 1,124%-ной соляной кислоты, ополоснув ею стаканчик, в котором взвешивали. Следующими 25 мл кислоты смывают частицы зерна со стенок колбы. Смесь перемешивают и колбу помещают на 15 мин в кипящую водяную баню, причем в тёчение первых трех минут содержимое колбы размешивают плавными круговыми движениями. Необходимо наблюдать, чтобы вода в бане покрывала всю колбу, а кипение было энергичным и не прекращалось при погружении колбы.

По истечении 15 мин колбу вынимают, вливают в нее 40 мл воды, взбалтывают и быстро охлаждают до 20° С. Для осветления раствора и осаждения белков прибавляют 4-6 мл раствора молибденовокислого аммония, доливают до метки водой, взбалтывают и фильтруют через сухой фильтр в чистую сухую колбу. Во избежание испарения воронку покрывают стеклом. Первые 20 мл фильтрата выливают, а последующие немедленно поляризуют в стеклянной трубке длиной 200 мм.

При исследовании крахмалсодержащих продуктов (зерна, картофеля) поляриметр не покажет непосредственного содержания крахмала. Для того чтобы рассчитать содержание крахмала, поступают следующим образом. Из формулы удельного вращения находим С:

При пользовании поляриметром с линейной шкалой формула приобретает следующий вид:

где П — показания поляриметра с линейной шкалой; 0,3468 — коэффициент перехода от линейной шкалы поляриметра к круговой.

Для определения крахмалистости зерна применяют навеску 5 г и растворяют крахмал до объема 100 мл разбавленной соляной кислотой. Пользуясь приведенной формулой, получают содержание крахмала в 100 мл раствора или (что то же) в 5 г навески. Процентное содержание крахмала в зерне находят умножением результата расчета на 20 (100:5 = 20).

Следовательно, крахмалистость зерна К можно рассчитать по формуле

В указанной формуле все величины, кроме П (показания поляриметра), постоянные. Поэтому можно написать К = kП, где k — постоянный коэффициент. Коэффициенты k для разных видов крахмала несколько различны, так как различны значения удельного вращения крахмала отдельных зерновых культур. Коэффициенты k были вычислены Эверсом и называются коэффициентами Эверса. Эти коэффициенты вычислены для навески 5 г при применении мерной колбы на 100 мл и поляриметрической трубки длиной 200 мм.

Приводим значения удельного вращения и коэффициента Эверса для различных видов крахмала.

Процентное содержание крахмала получают умножением показания шкалы поляриметра на соответствующий коэффициент Эверса.

Пример. При анализе пробы кукурузы показания поляриметра 28,4. Содержание крахмала составит 28,4 * 1,849 = 52,51%.

А. Н. Бондаренко и В. А. Смирнов считают, что удельное вращение крахмалов, выделенных из зерна хлебных и крупяных культур, при растворении в 1,124%-ной соляной кислоте и определении по методу Эверса одинаково и равно 181,0°. Соответственно будет одинаков и коэффициент Эверса, равный 1,910.

физика леч / методичка / цикл 3 / сахариметр 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ»

ЦЕЛЬ. Изучить явление поляризации света, научиться определять концентрацию сахара в растворе сахариметром.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Сахариметр, растворы известной концентрации, раствор неизвестной концентрации, дистиллированная вода, пипетка.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Природа света.

2. Явление поляризации света.

3. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса.

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

5. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Призма Николя.

6. Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Поляриметрия.

7. Устройство поляриметра, принцип его действия и применение.

8. Измерение концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы

Е и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях

синфазно. Причем естественный свет и свет, полученный от искусственных

(кроме лазеров), имеет равновероятные плоскости колебаний

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и лежат в

определенных плоскостях, называют плоскополяризованной. Плоскость, в

которой лежит вектор Е , называют плоскостью поляризации. Кроме того,

вектор Е называют световым вектором, т.к. электрическая составляющая вызывает фотохимические реакции и вызывает светоощущения.

Существуют различные способы получения поляризованного света.

1. Поляризация при отражении и преломлении.

На границе раздела двух сред часть световых лучей отражается, а часть

преломляется. Отраженные и преломленные лучи оказываются частично

поляризованными. Причем в отраженном луче колебания вектора Е происходят преимущественно перпендикулярно плоскости падения, в преломленном — параллельно плоскости падения.

Если тангенс угла падения луча равен относительному показателю преломления, то отраженные лучи полностью поляризованы.

где α Б — называется углом Брюстера,

n — относительный показатель преломления.

2. Поляризация при двойном лучепреломлении.

Некоторые прозрачные кристаллы (исландский шпат, кварц, слюда, турмалин и др.) обладают свойством двойного лучепреломления: при падении света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого — не выполняются, он называется необыкновенным.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча распространяются с одинаковыми скоростями, называют оптическими осями кристалла. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной плоскостью.

Скорость распространения обыкновенной волны одинакова по всем направлениям, поэтому ее фронт распространения сферический. Скорость распространения необыкновенного луча различна и поэтому фронт волны эллипсоидный.

Выделив один из двух преломленных лучей, можно получить поляризованный свет. Его энергия составляет не более 50% энергии падающего света.

В призме Николя, которая представляет собой специальным образом обработанный кристалл исландского шпата, обыкновенный луч отводится за счет полного внутреннего отражения.

3. Поляризация при поглощении.

Одним из источников поляризованного света являются пленки, в которых используется эффект, называемый дихроизмом, т.е. свойством сильнее поглощать один из лучей.

В пластинке турмалина толщиной 1 мм лучи всех направлений практически полностью поглощаются, а вышедший свет плоскополяризован. Такие устройства, называемые поляроидами, могут работать как поляризаторы. Поляризатор также может использоваться как анализатор.

Если плоскополяризованный свет падает на анализатор, интенсивность света, вышедшего из анализатора, равна интенсивности света, падающего на анализатор, умноженная на квадрат косинуса угла между оптическими осями анализатора и поляризатора.

Закон Малюса: I I o cos 2 ,

где I 0 — интенсивность падающего анализатор,

I — интенсивность света вышедшего из анализатора,

— угол между плоскостями поляризатора и анализатора.

При прохождении плоскополяризованного луча через оптически активные вещества наблюдается вращение плоскости поляризации.

В общем случае вращение плоскости поляризации подчиняется закону

где 0 — удельная постоянная вращения,

c — концентрация вещества, ℓ — толщина слоя раствора,- длина волны.

Для устранения явления вращательной дисперсии, т.е. зависимости угла вращения от длины волны, в приборах используется светофильтр. Тогда

где 0 — удельная постоянная вращения, равная увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 1 дм при концентрации вещества 1 г на 100 см 3 раствора, температуре 20 0 C и длине волны света = 589 нм. При длине кюветы 1 дм закон Био для виноградного сахара принимает вид:

Полученное соотношение лежит в основе метода измерения концентрации оптически активных веществ. Этот метод (поляриметрии или сахариметрии) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА

Поляриметр (рис. 1) состоит из головки анализатора (6) с отсчетной лупой (8), поляризатора (2) с зеркалом (1) и подставки (9).

В разрез трубы (7), соединяющей головку анализатора с поляризационным устройством, устанавливается кювета для растворов (3). Зрительная труба служит для наблюдения двойного поля и состоит из объектива (5), окуляра (6), муфты анализатора (4).

На рисунке 5 представлена оптическая система поляриметра: 1 — зеркало направляет световой пучок из источника света в оптическую

систему; поляризационное устройство состоит из светофильтра 2 и поляриметра 3; 4 — кварцевая пластинка с диафрагмой, выделяющая среднюю область пучка; 5 — кювета; 6 — анализатор из поляроидной пленки; 7 – объектив; 8 — окуляр.

Оптическая схема сахариметра

Измерения производятся по градусной шкале (рис. 6), которая состоит из неподвижного лимба (верхние 20 делений вправо и влево) и подвижного

нониуса (нижние деления). Цена деления лимба 1 0 , цена деления нониуса

Ноль нониуса показывает целые значения в градусах на лимбе, десятые градуса снимают по штриху нониуса, совпадающему с штрихом лимба. В данном случае (рис. 6) значение равно 3,5 0 .

Перемещением окуляров зрительной трубы и отсчетной лупы можно добиться резкого и четкого изображения линий раздела поля зрения и отсчетного устройства. Вращением анализатора можно уравнять яркости частей поля при больших и меньших яркостях, но измерение производить только при чувствительном положении анализатора, которое характеризуется тем, что части поля уравнены при минимальных яркостях. Незначительное вращение анализатора вызывает резкое нарушение равенства яркостей различных частей поля.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какая световая волна называется плоскополяризованной?

2. Чем отличается естественный свет от плоскополяризованного?

3. Что называется плоскостью поляризации?

4. Какой свет — естественный или поляризованный — излучает отдельные атомы?

5. Что такое световой вектор?

6. Что такое поляризатор? Что такое анализатор?

7. Сформулируйте и запишите закон Брюстера.

8. Запишите и сформулируйте закон Малюса.

9. В результате каких явлений может наблюдаться плоская поляризация света (частичная или полная)?

10. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

11. Какой луч называется обыкновенным?

12. Какой луч называется необыкновенным?

13. Что такое оптическая ось кристалла?

14. Какие плоскости в кристалле называются главными?

15. В чем проявляется сходство и различие обыкновенной световой волны и необыкновенной световой волны?

16. Что представляет собой призма Николя?

17. Объясните ход лучей в призме Николя.

18. В чем состоит явление дихроизма и для чего оно используется?

19. Какие вещества называются оптически активными? Что к ним относится? Для чего используется их основное свойство?

20. Сформулируйте и запишите закон Био.

21. Что называется удельной постоянной вращения вещества? В каких единицах она измеряется? От чего зависит?

22. Для какой цели при работе с поляризованным лучом применяется источник монохроматического света или устанавливается светофильтр?

Устройство и принцип работы сахариметра

Теоретическое введение

Поляризованный свет, распространяясь в некоторых кристаллах (кварц, киноварь и др.) вдоль направлений, параллельных его оптической оси, испытывает вращение плоскости поляризации. Это явление наблюдается не только в кристаллах, но и в некоторых чистых жидкостях (скипидар, нефть и др.), в растворах многих веществ (водный раствор сахара, раствор виннокаменной кислоты и др.). Вещества, вращающие плоскость поляризации света, называются оптически активными.

Если смотреть навстречу лучу, то плоскость поляризации оптически активными веществом может быть повернута либо по ходу часовой стрелки, либо против часовой стрелки. Вещества, вращающие плоскость поляризации по часовой стрелке, называются правовращащими, а вращающие против часовой стрелки – левовращающими.

Вращение плоскости поляризации можно объяснить, если представить плоско поляризованные колебания как результат сложения двух колебаний, поляризованных по кругу с правым и левым направлением вращения, распространяющихся в оптически активной среде с разными скоростями. Тогда угол поворота плоскости поляризации в твердом теле, равный половине угла разности фаз φвлево и вправо вращающих лучей, можно рассчитать по формуле:

(4–1)

где n_n, n_л – коэффициенты преломления лучей право и лево поляризованных по кругу;

λ– длина волны света в вакууме;

d– толщина пронизываемого светом слоя оптически активного вещества;

[а] – коэффициент пропорциональности.

В формуле (4 – 1) коэффициент [а] принято относить к толщине твердого тела, равной 1 мм.

В случае растворов угол αвращения плоскости поляризации, кроме толщины d слоя вещества, прямо пропорционален концентрации раствора с, т.е.

(4–2)

Коэффициент [a] в формуле (4–2) называется удельным вращением, которое численно равно углу вращения плоскости поляризации в растворе при концентрации C = 1 г/см 3 (т.е. при растворении 100 г. оптически активного вещества в 100см 3 раствора) и толщина слоя этого раствора d=1дм.

Коэффициент [a] в формулах (4–1) и (4–2) зависит от температур раствора и от длины волны света. Поэтому всегда необходимо указывать, для какой длины волны света проведены измерения углов вращения плоскости поляризации и температуру исследуемого раствора. Принято удельное вращение определять для желтой линии натрия при температуре t=20 0 C. Удельное вращение жидкого оптически активного вещества рассчитывается по формуле:

(4–3)

где ρ – плотность жидкости в г/см 3 .

Приборы, служащие для определения угла вращения плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, предназначенные для измерения концентрации сахара в растворе, получили название сахариметров.

Устройство и принцип работы сахариметра

Сахариметр состоит из узла измерительной головки 1 (анализатор) и осветительного узла 2, соединенных между собой траверсой 3 (рис. 1). Траверса крепится через стойку 4 к основанию. На траверсе укреплены кюветное отделение для поляриметрических кювет 5 и оправа с поляризатором 10 и полутеневой пластиной.

С лицевой стороны измерительной головки расположены лупа 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка 8 клинового компенсатора, вращением которой перемещают подвижный кварцевый клин и связанную с ним шкалу. Осветительный узел 2 состоит из патрона с лампой 9 (патрон устанавливается тремя винтами) и поворотной обоймы 10 со светофильтром и диафрагмой (поляризатор).

На основании установлены кнопка 11 для включения осветителя и ручка 12 резистора для регулирования яркости поля зрения.

Рис. 1

1 – Узел измерительной головки.

2 – Осветительный узел.

5 – Отделение для поляриметрических кювет.

6 – Лупа для отсчета показаний.

7 – Зрительная труба.

8 – Рукоятка клинового компенсатора.

9 – Патрон с лампой.

10 – Поворотная обойма со светофильтром и диафрагмой (поляризатор).

11 – Кнопка включения осветителя.

12 – Ручка регулирования яркости поля зрения.

Внутри основания вмонтирован понижающий трансформатор. На тыльной стороне основания находится винт заземления, вилка разъема для включения сахариметра в сеть.

Принцип работы сахариметра основан на способности сахарных растворов вращать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного луча света. Угол вращения плоскости поляризации луча света раствором в объеме определенной толщины пропорционален концентрации раствора. На этой зависимости и основана работа сахариметра – визуального оптико-механического прибора.

Оптическая схема

Световой поток, идущий от источника света 9 через светофильтр или диафрагму 10, проходит через призму-поляризатор, которая преобразует его в поляризованный поток света. Затем поток света проходит через полутеневую пластину, разделяющую его на две половины линией раздела. Анализатор пропускает равные по яркости обе половины светового потока, и в поле зрения зрительной трубы наблюдаются две половины поля одинаковой яркости, разделенные тонкой линией и называемые полями сравнения.

При установке кюветы с раствором между поляризатором и анализатором нарушается равенство яркостей полей сравнения, так как исследуемый раствор поворачивает плоскость поляризации на угол, пропорциональный концентрации раствора.

Для уравнивания яркостей полей сравнения в сахариметре применен клиновой компенсатор 8, состоящий из подвижного кварцевого клина левого вращения и неподвижного контрклина правого вращения. Перемещением подвижного клина относительно неподвижного (подвижную шкалу относительно неподвижной) устанавливают такую суммарную толщину клиньев по оптической оси, при которой компенсируется угол поворота плоскости поляризации раствора. При этом происходит уравнивание яркостей полей сравнения. Одновременно с подвижным клином перемещается связанная с ним шкала. По нулевому нониусу (делению неподвижной шкалы) фиксируют значение подвижной шкалы, соответствующее состоянию одинаковой яркости полей сравнения. Шкала и нониус наблюдаются через лупу 6 и освещаются лампой через отражательную призму и светофильтр.

Правила работы с сахариметром

1. Поверните ручку резистора 18 (рис.12) до упора против часовой стрелки.

Рисунок 12. Сахариметр универсальный СУ-5

1 – лупа; 2 – измерительная головка; 3 – механизм установки нониуса; 4 – ключ; 5 – кюветное отделение; 6 – траверса; 7 – оправа поляризатора; 8 – узел светофильтров; 9 – фиксирующий винт; 10 – гайка регулировочная; 11 – осветительный узел; 12 – винт заземления; 13 – вставка плавкая; 14 – вилка разъема; 15 – стойка; 16 – основание; 17 – кнопка «Сеть»; 18 – ручка резистора; 19 – рукоятка клинового компенсатора; 20 – зрительная труба.

2. Включите прибор в сеть и кнопкой «Сеть» включите осветитель.

3. Установите вращением окуляра зрительной трубы 20 максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

4. Установите ручкой резистора 18 такую яркость поля, которая наименее утомляет зрение и при которой наиболее четко воспринимается разница в яркости полей сравнения, если сместить нониус (верхняя шкала) на одно деление с его нулевого положения.

5. Закройте крышку кюветного отделения без установки в нем кюветы.

6. Ручкой 19 уравняйте яркость полей сравнения и снимите отсчет по шкале нониуса. Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется рисунком 13.

На рис.13а показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету «+11,85°S» (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается его семнадцатое деление).

На рис.13б показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету «-3,25°S» (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на 3 полных делений и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается его двадцать пятое деление).

Рисунок 13. Положения нониуса и шкалы

7. Поворачивая ручку 19 по часовой и против часовой стрелки, снять показания угла φ₁ три раза. Данные занесите в таблицу 1.

8. Установите кювету с исследуемым раствором в кюветное отделение; установите ее, вращая вокруг оси, в такое положение, чтобы линия раздела полей делила поле зрения на две равные части.

9. Установите с помощью окуляра зрительной трубы 20 максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

10. Ручкой 19 уравняйте яркость полей сравнения и снимите отсчет по шкале нониуса угла φ₂.

11. Поворачивая ручку 19 по часовой и против часовой стрелки, снять показания угла φ₂ три раза. Данные занесите в таблицу 1.

12. Угол вращения плоскости поляризации определяем по формуле:

,

где и – средние значения углов φ₁и φ₂ соответственно.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Определение концентрации сахара в растворе

1. Измеренные по три раза значения углов φ₁ и φ₂ занесите в таблицу 1.

2. По формуле найдите концентрацию сахара в исследуемом растворе в (г/см 3 ) и в (%) (считать, что плотность раствора сахара r = 1,03г/см 3 ).

3. Погрешности вычислить по формулам:

; ;

Упражнение 2. Определение удельного вращения a оптически активного вещества

1. Измерьте значения углов φ₁ и φ₂ для раствора глюкозы указанной на кювете концентрацией и результаты занесите в таблицу 2 (измерения повторить 3 раза).

2. По формуле определить удельное вращение aисследуемого раствора.

3. Погрешности рассчитать по формуле:

Контрольные вопросы

1. Определение естественного и поляризованного света.

2. Способы получения и свойства поляризованного света.

3. Закон Брюстера.

5. Оптически активные вещества (правовращающие, левовращающие).

6. Формулу для угла вращения плоскости поляризованного света оптически активным веществом.

7. Удельный угол вращения.

8. Оптическую схему поляриметра и его применение.

9. Использование поляризованного света в медицине.

Лабораторная работа № 16

Определение активности радиоактивного препарата и коэффициента поглощения β — лучей в веществе

Основные понятия и определения: явление радиоактивности (естественная и искусственная радиоактивность); активность радиоактивного распада; взаимодействие ионизирующего излучения с веществом; дозиметрические приборы.

Цель работы: пользоваться пересчетным устройством, определять активность радиоактивного препарата и коэффициент поглощения излучения веществом.

Краткая теория

По современным представлениям, атомное ядро состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Протоны и нейтроны прочно удерживаются внутри ядра ядерными силами, природа которых изучена еще недостаточно.

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона (е=1,6∙10 -19 Кл), а нейтрон не имеет заряда. Протон принято обозначать символом – ₁р 1 , а нейтрон – n 1 . Нижние символы обозначают заряд частицы, а верхние – массовое число частиц выраженное в атомных единицах массы (а.е.м.).

Число протонов N_p в атомном ядре элемента определяется порядковым номером элемента Z , т.е. N_p=Z.

Число нейтронов N_n в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом А и атомным номера элемента: N_n=A–Z, где A выражается в а.е.м.

Атомные ядра химических элементов принято обозначать символом _ZX A , где Х – символ элемента, А – массовое число, Z – атомный номер. Например, ₁₉К 39 – атомное ядро кислорода. Число протонов в ядре кислорода равно 19, а число нейтронов – 39-19=20.

Для того чтобы разрушить ядро, т.е. удалить нуклоны из поля действия сил, надо совершить работу (затратить некоторую энергию). Эта энергия называется энергией связи ядра (E_св) и определяется на основе пропорциональности массы и энергии.

В процессе распада ядра наблюдается радиоактивное излучение трёх видов: α— лучи, β — лучи, γ — лучи.

α-лучи представляют собой поток ядер гелия ₂Не 4 , называемых α-частицами. Каждая α-частица несет два элементарных положительных заряда (+2е) и обладает массовым числом А=4. Они вылетают из ядер со скоростью 14000-20000 км/с, что соответствует энергии от 4 до 9 МЭВ. α — частица возникает по следующей реакции:

2₁p 1 +2n 1 ₂Не 4

Схему α-распада с учетом правила смещения (законы сохранения заряда, массового числа и энергии) записывают в виде:

где X и Y – символы соответственно материнского и дочернего ядра.

Проникая через вещество, α — частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем. Израсходовав энергию, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия. В связи с тем, что α – частица является довольно тяжелой и большой по размеру микромира, она очень быстро растрачивает свою энергию при взаимодействии с веществом. Следовательно, — частица сильно поглощается веществом и для их экранировки достаточно, например, слой алюминия толщиной 0,06 мм или слой биологической ткани толщиной 0,12 мм.

β-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов (называемых β — частицами).

β-частицы рождаются в результате превращения одного из нейтронов ядра в протон или протона в нейтрон по следующей реакции:

;

где: _-1β 0 электрон; ₊₁β 0 — позитрон; и — нейтроно и антинейтроно — элементарные частицы.

Схема _-1β 0 – распада (электронного) с учетом правила смещения:

_ZX A → _Z+1Y A +_-1β 0 + .

При _-1β 0 -распаде электрон образуется в результате внутриядерного превращения нейтрона в протон.

Схема ₊₁β 0 – распада (позитронного) с учетом правила смещения:

_ZX A → _Z-1Y A +₊₁β 0 + .

При ₊₁β 0 -распаде позитрон образуется вследствие внутриядерного превращения протона в нейтрон.

Поскольку b — частица имеет весьма малую массу, большую (в среднем) скорость и несет только один элементарный заряд ее ионизационная способность значительно (в среднем в 100 раз) меньше, а длина пробега во столько же раз больше, чем у a — частиц.

Во многих случаях при радиоактивном распаде ядро нового элемента оказывается в возбужденном состоянии, т.е. на более высоком энергетическом уровне. Такое состояние ядра неустойчиво, оно переходит в основное состояние. С излучением γ – фотона энергия g — фотонов у различных веществ может быть в пределах от 0,2 до 3 МЭВ.

g — лучи, в отличие от a и b — лучей, обладают малой ионизационной, но громадной проникающей способностью.

Радиоактивный распад приводит к постепенному уменьшению числа ядер радиоактивного элемента. Он носит случайный характер в том смысле, что нельзя предсказать, когда и какое именно ядро распадется. Можно говорить только о вероятности распада каждого ядра за определенный промежуток времени.

Число ядер dN, распадающихся за время dt, пропорционально времени и общему числу N ядер радиоактивного элемента:

(1)

l — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада данного элемента.

Знак «-» указывает на уменьшение числа ядер радиоактивного элемента со времени. Для подсчета количества оставшихся N ядер радиоактивного элемента через t, проинтегрируем выражение (1). Для этого разделяем переменные:

.

От левой и правой частей берем интеграл:

Используем начальные условия, что в момент времени t=0 число ядер равно N, а в любой момент времени t число ядер – N. С учетом этого получаем:

или

Полученное выражение запишем в виде:

или

Потенцируем полученное выражение и получаем:

(2)

Выражение (2) называется законом радиоактивного распада. Графически он представлен на рис. 1. Скорость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада Т — время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер; т.е. при t=T число ядер N=N/2, где N– начальное число радиоактивных ядер.

— период полураспада.

Рисунок 1. График закона радиоактивного распада

Число ядерных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1с называется активностью этого элемента — а:

,

т.е. активность элементов пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада. За единицу активности принята активность 1 г радия, получившая название Кюри:

1 Ки=3,7·10 10 распадов/с

Применяется еще одна единица активности — резерфорд.

1 Р=10 6 распадов /с=1/3700Ки

Активность радиоактивного препарата можно определить по активности эталонного препарата.

Если эталонный препарат с известной активностью а_эт. дает N_эт импульсов за t, то, посчитав количество импульсов N_x исследуемого препарата за то же время, определяют его активность по формуле:

а с учетом естественного фона имеем:

(3)

Для оценки защитных свойств какого-либо вещества от радиоактивного излучения необходимо знать, каково поглощение излучения в данном веществе.

Обозначим поглощающую величину слоя через dX. Относительное уменьшение интенсивности излучения dJ/J пропорционально толщине слоя dX:

(4)

где m — коэффициент пропорциональности, численно равный относительному уменьшению интенсивности излучения, на единицу пути в данном веществе и называется коэффициентом поглощения. Проинтегрировав выражение (4) получим закон поглощения для β и γ — лучей в веществе:

(5)

где: J — интенсивность излучения без поглощения среды;

J — интенсивность после поглощения средой толщиной X.

Интенсивность излучения β и γ — лучей до и после поглощения, I пропорциональна N числу импульсов, зарегистрированных прибором за время t. Тогда из формулы (5) имеем:

, откуда (6)

где N и N₁ — соответственно количество импульсов до и после поглощения в слое толщиной X₁. Такое же соотношение можно написать и для поглощающего слоя толщиной Х₂.

(7)

Решая уравнения (6) и (7) относительно μ получим:

т.к. , то это выражение (с учетом естественного фона) даст нам окончательное формулу для подсчета коэффициента поглощения β и γ — лучей:

(8)

Выполнение работы

Студент, при работе с радиоактивным веществом, обязан строго соблюдать правила техники безопасности:

1. не трогать руками счетчик Гейгера-Мюллера;

2. не направлять излучение на людей;

3. запрещается касаться радиоактивного препарата;

4. после окончания эксперимента необходимо поместить препарат в свинцовый контейнер.

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; Нарушение авторского права страницы