Hva er metodene for å studere biologi? Biologiske metoder

Refraktometri er en av de enkleste fysiske analysemetodene til en kostnad minimumsmengde analytt og utføres for en svært en kort tid. Denne metoden brukes til å identifisere stoffer, fastslå deres renhet og bestemme konsentrasjonen av løsninger.

Refraktometrimetoden er basert på å måle brytningsindeksen n til analytten. Brytningsindeksen er forholdet mellom lyshastigheten i luft og lyshastigheten i stoffet som studeres. Verdien av brytningsindeksen avhenger av stoffets natur, temperatur og bølgelengden til lyset som bestemmelsen gjøres ved. I løsninger avhenger brytningsindeksen også av konsentrasjonen av det oppløste stoffet og løsningsmidlets natur.

Den forskjellige forplantningshastigheten til en lysstråle i medier med forskjellige tettheter forårsaker en endring i retningen når den går fra et medium til et annet, dvs. brytning. Forholdet mellom forplantningshastigheten til lys i luft v 1 og lysets forplantningshastighet i materie v 2, lik forholdet mellom sinusene til innfallsvinkelen til en lysstråle α og brytningsvinkelen β , er kalt brytningsindeks (koeffisient) n og er en konstant verdi for en gitt bølgelengde:

Når en lysstråle går fra et medium med en lavere verdi på n til et medium med høyere brytningsindeks (fig. 13a) β< α. Если угол падения α луча С (рис.13б) приближается к 90 0 , то β < 90 0 . При дальнейшем увеличении угла падения (луч D) падающий свет полностью отражается от границы раздела и не попадает в менее плотную среду, происходит полное внутреннее отражение. Справа (при наблюдении против светового потока) от предельного луча D" находится затемненное поле, слева – освещенное поле.

Fig. 13. Brytning av en lysstråle når den går fra et medium til et annet:

a – brytning av en lysstråle når den går fra et mindre tett medium 1 til et mer tett medium 2; b – brytning av en lysstråle ved innfallsvinkler som nærmer seg 90 0; grensestråle D - D" (total intern refleksjon).

Brytningsindeksen bestemmes ved hjelp av en spesiell enhet kalt et refraktometer. I praksis brukes refraktometre ulike systemer: laboratorium - RL, universal - RLU, RL - 2, "Karat - MT", etc.

Refraktometerenheten er basert på fenomenet total intern refleksjon av en lysstråle ved grensen til to medier (det ene er et glassprisme, det andre er den analyserte løsningen) eller på posisjonen til den begrensende strålen ved grensen til lys og lys. skygge (fig. 14).

Ris. 14. Diagram av refraktometeret RL - 2:

1 - lys fra kilden; 2 - speil; 3 - lysprisme; 4 - måleprisme; 5 - kompensator; 6- linse; 7 - prisme; 8 - plate med trådkors og en brytningsindeksskala; 9 – okular.

Lys fra kilde 1 treffer speil 2 og går, når det reflekteres, inn i det øvre lysprisme 3, deretter inn i det nedre måleprisme 4, laget av spesialglass med høy brytningsindeks. Mellom hypotenusoverflatene til prisme 3 og 4 plasseres 1–2 dråper av væsken som analyseres ved hjelp av en kapillær. For å unngå mekanisk skade på prismet, bør kapillæren ikke berøre overflaten.

Overflaten til prismet 4 tjener som grensesnittet ved hvilket lysstrålen brytes. På grunn av spredningen av stråler, viser grensen til lys og skygge seg å være iriserende og uskarp; dispersjonskompensator 5 eliminerer dette fenomenet. Deretter passerer lyset gjennom linsen 6 og prismet 7. På platen 8 er det siktelinjer (to kryssede rette linjer) og en skala av brytningsindekser observert i okularet 9. Brytningsindeksen avleses på skalaen med tre desimaler, det fjerde sifferet vurderes etter øyet.

I okular 9 er et felt med kryssende linjer synlig for å etablere grensesnittet. Ved å flytte okularet, justeres trådkorset med feltgrensesnittet (fig. 15).

Ris. 15. Synsfelt i refraktometer-okularet:

til venstre - brytningsindeksskala; til høyre er en skala for prosentandel av tørre stoffer; Mellom prismene er det destillert vann.

Plasseringen av feltgrensesnittet tilsvarer vinkelen for total intern refleksjon og avhenger av brytningsindeksen til den analyserte væsken.

Laboratorierefraktometer RL - 2 (fig. 16) har to skalaer - brytningsindeks (fra 1,33 til 1,54) og tørrstoffinnhold, uttrykt i % (vekt) sukrose - fra 0 til 95 % (vekt).

Brytningsindeksen måles vanligvis ved en temperatur på (20 ± 0,3) º C og en bølgelengde på D-linjen i natriumspekteret (589,3 nm). Brytningsindeksen bestemt under slike forhold er betegnet med indeksen n D 20.

Brytningsindeksen til destillert vann er n 1 0 = 1,33299, praktisk talt samme indeks er tatt som referanse som n 0 = 1,333.

Fig. 16. Refraktometer RL – 2:

1 - base; 2 - kolonne; 3 - kropp; 4 – spredende skive for å eliminere spektralfarging av lys og skygge; 5 - reflekterende speil; 6 - kammeret til måleprismet; 7 - hengsel som forbinder prismene; 8 - lysprisme; 9 - termometer; 10 – hull for justering av refraktometerskalaen; 11 – skala for lesing; 12 – håndtak; 13 – okular

Operasjons prosedyre:

1. Kontrollere renheten til kontaktflatene til prismene (før start av målinger).

2. Kontroll av nullpunktet. Påfør 2-3 dråper destillert vann på overflaten av måleprismet og dekk forsiktig med lysprismet. Åpne belysningsvinduet og plasser det i retning av lyskildens høyeste intensitet ved hjelp av et speil. Ved å rotere skruene får du et skarpt og tydelig skille mellom lyse og mørke felt i okularets synsfelt. Ved å rotere skruen justerer du linjen med lys og skygge nøyaktig til den faller sammen med skjæringspunktet for linjen i det øvre vinduet på okularet. Vertikal linje i det nedre vinduet på okularet indikerer måleresultatet - brytningsindeksen for vann ved 20 ° C - 1,333. Ved andre målinger, sett brytningsindeksen med en skrue til 1,333, og bruk en nøkkel (fjern justeringsskruen) for å bringe grensen for lys og skygge til skjæringspunktet mellom linjene.

3. Bestemmelse av brytningsindeks. Etter å ha installert enheten til nullpunktet, løft kammeret til belysningsprismet og fjern vannet med filterpapir eller en gasduk. Deretter påføres 1-2 dråper av testløsningen på måleprismets plan, og kammeret lukkes. Roter skruene til grensen av lys og skygge faller sammen med skjæringspunktet mellom linjene. Brytningsindeksen til løsningen måles ved hjelp av en skala i det nedre vinduet på okularet.

4. Forholdet mellom konsentrasjonen av en tokomponentløsning og brytningsindeksen fastsettes ved hjelp av en kalibreringsgraf. For å konstruere en graf lages standardløsninger fra et preparat av et kjemisk rent stoff, brytningsindeksene måles 3–4 ganger, det aritmetiske gjennomsnittet beregnes og den resulterende verdien plottes på ordinataksen, og konsentrasjonen av løsningene er plottet på abscisseaksen. En slik graf representerer ofte en nesten rett linje. Etter å ha målt brytningsindeksen til den analyserte løsningen, er dens konsentrasjon funnet fra grafen.

5. Fullfør arbeidet med refraktometeret. Etter hver bestemmelse er det nødvendig å skylle begge kamrene med vann og tørke av med filterpapir eller en serviett, legg et tynt lag med bomullsull mellom kamrene.

De brytningsegenskapene til et stoff, bestemt av strukturen til molekylet, er preget av molekylær brytning R m og er beskrevet av Lorentz – Lorentz-ligningen:

hvor M – molar masse stoffer, g/mol;

d – tetthet x 10 3 kg/m 3.

Molekylær brytning er ikke avhengig av temperatur og aggregeringstilstand stoffer. Til kjemiske forbindelser det er en additiv verdi som brukes til å etablere sammensetning og struktur organisk materiale. Molekylær brytning beregnes som summen av atombrytninger og inkrementer av multiple bindinger (tabell 1). På den annen side måles brytningsindeksen og tettheten til det identifiserte stoffet ved 20 º C. Disse verdiene, så vel som stoffets molare masse, legges inn i ligningen. I begge tilfeller bør nesten samme molekylære refraksjon oppnås.

Tabell 1

Atombrytninger av noen kjemiske elementer og økninger av flere bindinger (20 0 C, λ = 589 nm)

La oss vurdere beregningen av molekylær brytning ved å bruke eksemplet med klorbenzen, hvis molekyl inneholder 6 karbonatomer, 5 hydrogenatomer, 1 kloratom, og har også 3 dobbeltbindinger, derfor:

R m= 6×2,418 + 5×1,100 + 1×5,967 + 3×1,733 = 31,2.

Det er eksperimentelt funnet at brytningsindeksen til den analyserte væsken er 1,5248. Tettheten av klorbenzen er 1,107 × 10 3 kg/m 3, molar masse er 112,56 g/mol. Vi legger inn disse verdiene i formelen og får:

Liten forskjell mellom to verdier R m(31,2 – 30,9 = 0,3) indikerer at væsken som analyseres faktisk er klorbenzen. Betydelige avvik mellom verdiene av Rm funnet av de to metodene kan skyldes eksperimentelle feil, betydelig forurensning av analytten, og også det faktum at stoffet ikke er klorbenzen.

Forholdsregler under drift

Prismer i enheten svikter raskest, så følgende forholdsregler må tas ved håndtering av dem.

1. Før brytningsindeksen bestemmes, rengjøres prismene grundig for smuss og støv.

2. Brytningsindeksene til syrer og alkalier måles ikke, siden de korroderer overflaten til prismene.

3. Etter målinger, tørk overflaten av prismene med en ren, myk klut fuktet med vann eller alkohol, tørk av og legg en liten, tørr, ren klut eller bomullsull mellom prismene.

b) la testvæsken ligge mellom prismene i lang tid, siden overflaten av prismene da dekkes med et tynt matt lag og måling av brytningsindeksen blir umulig.

Laboratorieoppgave nr. 7

1. Bestem brytningsindeksene til organiske løsemidler og sammenlign med kjente verdier n 20 D. Analyser de oppnådde resultatene.

Organiske løsemidler n 20 D

Etanol 1,3613

Kloroform 1,4467

Toluen 1,4992

Metyljodid 1,5207

Anilin 1,5863

1 – Bromonaftalen 1,6582

2. Konstruer en kalibreringsgraf over brytningsindeksenes avhengighet av konsentrasjonen av etylalkohol i vann.

3. Bestem konsentrasjonen av løsningen av etylalkohol i vann gitt av læreren.

4. Bestem og beregn den molekylære brytningen av etanol eksperimentelt. Analyser de oppnådde resultatene.

Laboratoriearbeid №8

Fysikkens lover spiller en veldig viktig rolle når du utfører beregninger for å planlegge en spesifikk strategi for produksjon av ethvert produkt eller når du utarbeider et prosjekt for konstruksjon av strukturer for ulike formål. Det beregnes mange mengder, så målinger og beregninger gjøres før planarbeidet starter. For eksempel er brytningsindeksen til glass lik forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen.

Så først prosessen er i gang mål vinklene, beregn deretter sinusen deres, og først da kan du få ønsket verdi. Til tross for tilgjengeligheten av tabelldata, er det verdt å utføre ytterligere beregninger hver gang, siden oppslagsverk ofte bruker ideelle forhold som kan oppnås i det virkelige liv nesten umulig. Derfor vil indikatoren i virkeligheten nødvendigvis avvike fra tabellen, og i noen situasjoner er dette av grunnleggende betydning.

Absolutt indikator

Den absolutte brytningsindeksen avhenger av glassmerket, siden det i praksis er et stort antall alternativer som er forskjellige i sammensetning og grad av gjennomsiktighet. I gjennomsnitt er den 1,5 og svinger rundt denne verdien med 0,2 i en eller annen retning. I sjeldne tilfeller kan det være avvik fra denne figuren.

Igjen, hvis viktig eksakt indikator, da er ytterligere mål uunnværlig. Men de gir heller ikke et 100 % pålitelig resultat, siden sluttverdien vil bli påvirket av solens posisjon på himmelen og skyet på måledagen. Heldigvis er det i 99,99% av tilfellene nok å bare vite at brytningsindeksen til et materiale som glass er større enn én og mindre enn to, og alle andre tideler og hundredeler spiller ingen rolle.

På fora som hjelper til med å løse fysikkproblemer, dukker ofte spørsmålet opp: hva er brytningsindeksen til glass og diamant? Mange tror at siden disse to stoffene er like i utseende, bør egenskapene deres være omtrent de samme. Men dette er en misforståelse.

Maksimal brytning av glass vil være rundt 1,7, mens for diamant når denne indikatoren 2,42. De perle er et av få materialer på jorden hvis brytningsindeks overstiger 2. Dette skyldes dens krystallinske struktur og det høye nivået av spredning av lysstråler. Kuttet spiller en minimal rolle i endringer i tabellverdien.

Relativ indikator

Den relative indikatoren for noen miljøer kan karakteriseres som følger:

- brytningsindeksen til glass i forhold til vann er omtrent 1,18;
- brytningsindeksen til det samme materialet i forhold til luft er lik 1,5;
- brytningsindeks i forhold til alkohol - 1.1.

Målinger av indikatoren og beregninger av den relative verdien utføres i henhold til en velkjent algoritme. For å finne en relativ parameter må du dele en tabellverdi med en annen. Eller foreta eksperimentelle beregninger for to miljøer, og deretter dele de innhentede dataene. Slike operasjoner utføres ofte i laboratoriefysikkklasser.

Bestemmelse av brytningsindeks

Å bestemme brytningsindeksen til glass i praksis er ganske vanskelig, fordi høypresisjonsinstrumenter kreves for å måle de første dataene. Eventuelle feil vil øke, siden beregningen bruker komplekse formler som krever fravær av feil.

Generelt viser denne koeffisienten hvor mange ganger lysstrålenes forplantningshastighet reduseres når den passerer gjennom en viss hindring. Derfor er det typisk bare for gjennomsiktige materialer. Brytningsindeksen til gasser tas som referanseverdi, det vil si som en enhet. Dette ble gjort slik at det var mulig å ta utgangspunkt i en eller annen verdi ved beregninger.

Hvis Solstråle faller på overflaten av glass med en brytningsindeks som er lik tabellverdien, så kan den endres på flere måter:

1. Lim en film på toppen hvis brytningsindeks vil være høyere enn glass. Dette prinsippet brukes ved toning av bilvinduer for å forbedre passasjerkomforten og gi føreren bedre oversikt over trafikkforholdene. Filmen vil også hemme ultrafiolett stråling.
2. Mal glasset med maling. Dette er hva produsenter av billige produkter gjør solbriller, men det er verdt å tenke på at dette kan være skadelig for synet. I gode modeller Glasset produseres umiddelbart farget ved hjelp av en spesiell teknologi.
3. Senk glasset i litt væske. Dette er bare nyttig for eksperimenter.

Hvis en lysstråle passerer fra glass, er brytningsindeksen neste materiale beregnes ved hjelp av en relativ koeffisient, som kan oppnås ved å sammenligne tabellverdier. Disse beregningene er svært viktige i utformingen av optiske systemer som bærer praktiske eller eksperimentelle belastninger. Feil her er uakseptable, fordi de vil føre til feil drift av hele enheten, og da vil data som er oppnådd med dens hjelp være ubrukelige.

For å bestemme lyshastigheten i glass med brytningsindeks, må du dele den absolutte verdien av hastigheten i et vakuum med brytningsindeksen. Vakuum brukes som et referansemedium fordi refraksjon ikke fungerer der på grunn av fravær av stoffer som kan forstyrre den jevne bevegelsen av lysstråler langs en gitt bane.

I alle beregnede indikatorer vil hastigheten være mindre enn i referansemediet, siden brytningsindeksen alltid er større enn enhet.

Leksjon 25/III-1 Forplantning av lys i ulike medier. Brytning av lys ved grensesnittet mellom to medier.

Lære nytt stoff.

Til nå har vi vurdert forplantningen av lys i ett medium, som vanlig - i luft. Lys kan forplante seg i ulike medier: flytte fra ett medium til et annet; Ved innfallspunktene reflekteres strålene ikke bare fra overflaten, men passerer også delvis gjennom den. Slike overganger forårsaker mange vakre og interessante fenomener.

Å endre forplantningsretningen til lys som passerer gjennom grensen til to medier kalles lysbrytning.

En del av lysstrålen som faller inn på grensesnittet mellom to transparente medier reflekteres, og en del går over i det andre mediet. I dette tilfellet endres retningen til lysstrålen som har gått inn i et annet medium. Derfor kalles fenomenet refraksjon, og strålen kalles refraktert.

1 – innfallende stråle

2 – reflektert stråle

3 – brutt stråle α β

OO 1 – grensesnitt mellom to medier

MN - vinkelrett O O 1

Vinkelen som dannes av strålen og en vinkelrett på grensesnittet mellom to medier, senket til innfallspunktet for strålen, kalles brytningsvinkelen γ (gamma).

Lys i et vakuum beveger seg med en hastighet på 300 000 km/s. I ethvert medium er lyshastigheten alltid mindre enn i vakuum. Derfor, når lys går fra et medium til et annet, reduseres hastigheten og dette forårsaker lysbrytning. Jo lavere hastigheten på lysutbredelsen er i et gitt medium, desto større er den optiske tettheten til dette mediet. For eksempel har luft høyere optisk tetthet enn vakuum, fordi lyshastigheten i luft er litt lavere enn i vakuum. Den optiske tettheten til vann er større enn den optiske tettheten til luft, siden lyshastigheten i luft er større enn i vann.

Jo mer de optiske tetthetene til to medier er forskjellige, jo mer lys brytes i grensesnittet deres. Jo mer lyshastigheten endres ved grensesnittet mellom to medier, jo mer brytes det.

For hvert gjennomsiktig stoff er det en så viktig fysiske egenskaper, som lysets brytningsindeks n. Den viser hvor mange ganger lyshastigheten i et gitt stoff er mindre enn i et vakuum.

Brytningsindeks for lys

Substans	Substans	Substans
	Havsalt	Terpentin
	Cedar olje	Etanol

Glyserol	Plexiglass	Glass (lett)
	Karbondisulfid

Forholdet mellom innfallsvinkelen og brytningsvinkelen avhenger av den optiske tettheten til hvert medium. Hvis en lysstråle går fra et medium med lavere optisk tetthet til et medium med høyere optisk tetthet, vil brytningsvinkelen være mindre enn innfallsvinkelen. Hvis en lysstråle kommer fra et medium med høyere optisk tetthet, vil brytningsvinkelen være mindre enn innfallsvinkelen. Hvis en lysstråle går fra et medium med høyere optisk tetthet til et medium med lavere optisk tetthet, så er brytningsvinkelen større enn innfallsvinkelen.

Det vil si hvis n 1 y; hvis n 1 >n 2 så α<γ.

Loven om lysbrytning :

Den innfallende strålen, den brutte strålen og perpendikulæren til grensesnittet mellom de to media ved innfallspunktet for strålen ligger i samme plan.

Forholdet mellom innfallsvinkelen og brytningsvinkelen bestemmes av formelen.

hvor er sinusen til innfallsvinkelen og er sinusen til brytningsvinkelen.

Verdien av sinus og tangenter for vinkler 0 – 900

grader	grader	grader

Loven om lysbrytning ble først formulert av den nederlandske astronomen og matematikeren W. Snelius rundt 1626, en professor ved Leiden universitet (1613).

For det 16. århundre var optikk en ultramoderne vitenskap Fra en glasskule fylt med vann, som ble brukt som linse, oppsto et forstørrelsesglass. Og fra det oppfant de et teleskop og et mikroskop. På den tiden trengte Nederland teleskoper for å se kysten og rømme fra fiender i tide. Det var optikk som sørget for suksessen og påliteligheten til navigasjonen. Derfor, i Nederland, var mange forskere interessert i optikk. Nederlenderen Skel Van Rooyen (Snelius) observerte hvordan en tynn lysstråle ble reflektert i speilet. Han målte innfallsvinkelen og refleksjonsvinkelen og etablerte: refleksjonsvinkelen er lik innfallsvinkelen. Han eier også lovene for lysrefleksjon. Han utledet loven om lysbrytning.

La oss vurdere loven om lysbrytning.

Den inneholder den relative brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første, i tilfelle det andre har en høyere optisk tetthet. Hvis lys brytes og passerer gjennom et medium med lavere optisk tetthet, så α< γ, тогда

Hvis det første mediet er vakuum, så er n 1 =1 da .

Denne indikatoren kalles den absolutte brytningsindeksen til det andre mediet:

hvor er lysets hastighet i et vakuum, lysets hastighet i et gitt medium.

En konsekvens av lysbrytningen i jordens atmosfære er det faktum at vi ser solen og stjernene litt høyere enn deres faktiske posisjon. Brytningen av lys kan forklare utseendet til luftspeilinger, regnbuer ... fenomenet lysbrytning er grunnlaget for driftsprinsippet til numeriske optiske enheter: mikroskop, teleskop, kamera.

Optikk er en gren av fysikk som studerer naturen til lysstråling, dens forplantning og interaksjon med materie. Lysbølger er elektromagnetiske bølger. Bølgelengden til lysbølger er inneholdt i intervallet. Bølger i dette området oppfattes av det menneskelige øyet.

Lys beveger seg langs linjer som kalles stråler. I stråle- (eller geometrisk) optikktilnærming blir de endelige bølgelengdene til lys neglisjert, forutsatt at λ→0. I mange tilfeller lar geometrisk optikk en beregne det optiske systemet ganske godt. Det enkleste optiske systemet er en linse.

Når du studerer interferens av lys, bør det huskes at interferens bare observeres fra sammenhengende kilder og at interferens er assosiert med omfordeling av energi i rommet. Her er det viktig å kunne skrive ned betingelsene for maksimal og minimum lysintensitet korrekt og være oppmerksom på forhold som fargene på tynne filmer, striper med lik tykkelse og lik helning.

Når man studerer fenomenet lysdiffraksjon, er det nødvendig å forstå Huygens-Fresnel-prinsippet, Fresnel-sonemetoden, og forstå hvordan man kan beskrive diffraksjonsmønsteret på en enkelt spalte og på et diffraksjonsgitter.

Når du studerer fenomenet polarisering av lys, må du forstå at grunnlaget for dette fenomenet er transversiteten til lysbølger. Oppmerksomhet bør rettes mot metodene for å produsere polarisert lys og til lovene til Brewster og Malus.