Нефелометрические методы исследований веществ и окружающей среды

Нефелометрия - это совокупность методов, основанных на регистрации рассеянного излучения.

Известно, что механизм рассеяния определяется соотношением длины волны λ и размера частиц d. Если λ >>d, (на практике: λ ≥ 10 d), то наблюдается рассеяние Релея, тогда . Если , то рассеяние носит более сложный характер и описывается общей теорией Ми.

Формула Релея для рассеиваемой мощности частицами, размеры которых значительно меньше длины волны, выглядит следующим образом:

где Ф_Р – рассеиваемый поток излучения;

Ф₀ – падающий поток; λ - длина волны освещения; V – средне-статистический объем рассеивающих частиц; N – количество частиц в единице объема (в см³), к – числовой коэффициент, для сферических диэлектрических частиц равный:

здесь β - угол между направлениями пучка рассеянного света и пучка падающего света;

l - от источника освещения до рассеивающей среды;

n₁, n₀ - показатели преломления рассеивающего вещества и среды.

В лабораторных исследованиях широко используются дифференциальные способы сравнения рассеивающих сред с эталонами. Пример такой схемы показан на рисунке.

Схема нефелометра дифференциальная компенсационная содержит:

1 и 2 – кюветы, 3 – экранирующие диафрагмы, 4 – источник света, 5 – спектральный светофильтр, 6 – оптическая система, 7 – фотоприемники, 8 – электроника.

Наблюдение осуществляется в направлении, перпендикулярном освещению. Так как параметры эталона известны, можно записать:

где к₁ = к/λ⁴– определенная для данного измерения константа.

Компенсационный способ сравнения состоит в выравнивании потоков, рассеиваемого веществами, при этом справедливы очевидные соотношения:

, или ,

Задача нефелометрических измерений усложняется при исследованиях открытых рассеивающих сред, например, в метеорологии.

На рисунке показан пример схемы нефелометра для таких применений.

Типовая структура одноканального нефелометра содержит:

1 – источник освещения (обычно – лазер); 2 – объект; 3 – оптика; 4 – фотоприемник; 5 – электроника; l₀ – расстояние от рассеивающего элемента объекта до нефелометра, θ – апертурный угол оптической системы.

При известном объеме рассеивающих частиц их концентрация составит:

Учитывая величину фотоответа приемника, получаем:

Выражение позволяет определять концентрацию рассеивающих частиц.

Явления, связанные с рассеянием света, также используется для установления формы и размеров частиц. Если частицы изотропны, то мощность рассеянного излучения, зависит от параметров частицы: ее размеров (точнее, соотношения ), и показателя преломления вещества частицы.

19. Турбидиметрияв исследованиях дисперсных сред

Турбидиметрия – это оптический метод исследования неоднородных (дисперсных) сред, основанный на совокупности принципов рассеяния и поглощения излучения.

Если α_р - показатель рассеяния, то ослабленный за счет рассеяния поток:

Ф_р = Ф₀ e^-αрх

Величина потока, ослабленного совокупностью рассеяния и поглощения:

Ф₁ = Ф_р e^-αх = Ф₀ e^{-(αрх + αх)} = Ф₀ e ^{–γ х}

где α_р +α =γ – показатель совокупного ослабления

Учитывая, что совокупная оптическая плотность среды, легко определить:

c= D_р /ε_т l

здесь ε_т – молярный турбидиметрический коэффициент ослабления.

Удельный показатель ослабления для взвеси частиц определяется по формуле:

ε_т = πr²;

где r – размер частиц.

Подставив это значение в формулу Бугера–Ламберта-Бера и решив его относительно размера частиц, найдем:

Таким образом, удается определять среднестатистический размер взвешенных частиц, либо их концентрацию. Широко известен ряд фотоэлектрических колориметров-нефелометровкомпенсационного типаФЭК (например ФЭК-60 и др.).

Типовая схема колориметра-нефелометра типа ФЭК содержит:

1 и 2 – кюветы, 3 – щелевые диафрагмы, 4 – источник света, 5 – спектральный светофильтр, 6,7 и 8 – оптическая система, 9 – фотоприемники, 10 – электроника, 11 – оптический клин-компенсатор.