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 φ₁ и φ₂ соответственно.

Порядок выполнения работы

 

Упражнение 1. Определение концентрации сахара в растворе

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

Таблица 1

№ п/п

φ1^о

φ2^о

Δφ1^о

Δφ2^о

, дм

Δ , дм

a,

С, г/см^3

С, %

ΔС, г/см^3

ΔС/С, %

1

1,9

0,05

66,5

2

3

Ср.

 

2. По формуле найдите концентрацию сахара в исследуемом растворе в (г/см³) и в (%) (считать, что плотность раствора сахара r = 1,03г/см³).

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).

 

Таблица 2

№ п/п	φ1^о	φ2^о	Δφ1^о	Δφ2^о		С, г/см^3	, дм	Δ , дм	a,	Δa,	Δa/a, %
1							1,9	0,05
2
3
Ср.

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.

4. Закон Малюса.

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^-19Кл), а нейтрон не имеет заряда. Протон принято обозначать символом – ₁р¹, а нейтрон – ₀n¹. 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, ₁₉К³⁹ – 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:

 

2₁p¹+2₀n¹ ₂Не⁴

 

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

_ZX^A → _Z-2Y^A-4+₂α⁴,

 

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: _-1β⁰ электрон; ₊₁β ⁰ - позитрон; и - нейтроно и антинейтроно - элементарные частицы.

Схема _-1β⁰ – распада (электронного) с учетом правила смещения:

_ZX^A → _Z+1Y^A+_-1β⁰ + .

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

Схема ₊₁β⁰ – распада (позитронного) с учетом правила смещения:

_ZX^A → _Z-1Y^A+₊₁β⁰ + .

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 N₀, 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=N₀/2, где N₀ – 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=3,7·10¹⁰ 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: J₀ - 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 ₀ и N₁ — соответственно количество импульсов до и после поглощения в слое толщиной X ₁. 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.