Диссертация (1143140), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Пределы области, в которойсправедлива теория Релея для видимого света, простираются от молекулярных размеров доразмеров частиц 0,03 мкм.Теория молекулярного рассеяния света, основоположником которой является Релей,была развита исследованиями Смолуховского, Эйнштейна и Мандельштама. Смолуховский в1908 году выдвинул предположение о том, что светорассеяние в средах определяетсяфлуктуациями плотности вещества. Эта плодотворная идея легла в основу статистическойтеории рассеяния света, развитой Эйнштейном в 1910 году.

Кроме флуктуаций плотности,Эйнштейн учел также флуктуации концентрации, имеющие место в растворах. Флуктуации не136только нарушают оптическую однородность внутри вещества, но и приводят к нарушениюзеркальногладкойнесмешивающихсясвободнойповерхностижидкостей.Тепловыежидкостиилифлуктуацииграницыразделапротиводействуютдвухсиламповерхностного натяжения, выравнивающим поверхность, и делают ее «шероховатой». Врезультате молекулярной «шероховатости» поверхности жидкости возникает молекулярноерассеяние света в направлениях, отличных от направления зеркального отражениявозбуждающего пучка света. Мандельштам в 1913 году дал теорию явления иэкспериментально обнаружил молекулярное рассеяние поверхностью жидкости [157].С точки зрения современной статистической теории рассеяния света в газах причинойнарушения оптической однородности являются тепловые флуктуации.

В газах можнопренебречь силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому теоретическое рассеяниесвета предельно упрощается. Формула молекулярного рассеяния по Эйнштейну переходит длягазов в формулу Релея [157].Для сферы из диэлектрика закон Релея в случае неполяризованного света может бытьзаписан в виде:9 3V 2 n s2  1I air   2 R 2 4 n s2  222 6  3 n   1  cos 2   ,  6  7 n (4.13)где Iair (θ) - интенсивность рассеянного в направлении θ света (рассчитанная на единицуинтенсивности падающего света), V - объем частицы, R - расстояние от точки наблюдения дочастицы, ns - показатель преломления, ρn - фактор деполяризации света. Из этого законаследует, что интенсивность рассеянного света пропорциональна r 6 4 [152].Из теории следует (и подтверждено экспериментально), что свет, рассеянный частицей,состоит из двух плоскополяризованных компонент, плоскости поляризации которых взаимноперпендикулярны.

Колебания компоненты с интенсивностью i1 перпендикулярны плоскостинаблюдения, а компоненты с интенсивностью i2 параллельны ей. Величина i2 зависит отcos 2  в выражении (4.13), тогда как i1 от угла θ не зависит. При θ = 90° свет полностьюполяризован в перпендикулярной плоскости наблюдения [152].По своему химическому составу воздух представляет собой механическую смесь газов,состоящую из: азота – 78,09%, кислорода – 20,95% и двуокиси углерода – 0,03%. Сумма жевсех остальных газов несколько меньше 1%, к ним относятся аргон, гелий, неон, криптон,ксенон, радон, водород, закись азота, озон и водяные пары.

Для определения количествамолекул в фотометрируемом объеме воспользуемся известным законом Авогадро: приодинаковых давлениях и одинаковых температурах в равных объёмах различных газовсодержится одно и то же число молекул. В одном моле газа содержится 6,022·1023 молекул(число Авогадро). В 1 см3 любого газа при нормальных условиях (т.е.

при t = 00С и давлении137p  101325 н / м2  1 атм  760 мм. рт.ст ) содержится 2,687·1019 молекул (число Лошмидта).Определить количество молекул в объеме газа при различных температурах и давленияхвозможно из следствия уравнения Менделеева-Клапейрона: n0 NA p  NAp, гдеVRTkTвведены общепринятые обозначения: n0 - число молекул, содержащихся в единице объема(1м3) идеального газа, p - давление в н/м2 (1 Па=1 н/м2), k - постоянная Больцмана,T - температура, R - универсальная газовая постоянная ( R  8,31 103молярный объем,дж), V кмоль  г радN A - число Авогадро. В малогабаритном аэрозольном фотометре,используемом в газоанализаторах на МоЯК, фотометрируемый объем составляет Vф = 2·10-6м3. Таким образом, при комнатной температуре и немного увеличенном для прокачки газаносителя давлении (p = 1.1 атм), число молекул воздуха в объеме камеры фотометра:nф  n0 Vф pVфkT101325 1.1  2 10 6 55.13 1018 .1.38 10  23  293Итак, в зоне фотометрического анализа находятся nф = 55.13·1018 молекул воздуха, изних: 78% азот N2, ( 0.78  55.13 1018  43 1018 молекул азота); 22% кислород О2, (0.22  55.13 1018  12.13 1018 молекул кислорода).Рассеянное излучение воздуха регистрируется тем же самым фотодетектором, что ирассеяниеаэрозольнымичастицами.Вмалогабаритномфотометрерадиуссветочувствительной площадки фотодетектора составляет rd = 1 см, расстояние дофотодетектора – R = 10 см.

Для определения спектральной плотности мощности рассеянноговоздухом поля, падающего на фотодетектор, необходимо провести интегрированиеинтенсивности I air   в телесном угле   Sd R 2 , под которым из центра фотометрируемогообъема видна фоточувствительная площадка фотодетектора. Вследствие малости телесногоугла интенсивность I air   меняется незначительно и может быть вынесена из под знакаинтегрирования.Таким образом, спектральная плотность мощности рассеянного воздухом поля нафотодетекторе9 3V 2 n 2  1P _ air ( )  P0 ( )   I air ( )d  P0 ( )  2 4  s2 R  n s2  222 6  3 n   r2  1  cos 2   nф  2d (4.14) R 6  7 n где P0 ( ) , как и для аэрозольных частиц, спектральная плотность мощности источникаоптического излучения в детекторе МоЯК.В расчетах использованы следующие параметры: радиус молекулы азота 0.185 нм[158], показатель преломления воздуха ns = 1.0002926, фактор деполяризации света ρn = 0.035.138Расчеты фоновой засветки воздуха проводились для случая падающего неполяризованногосвета.На рис.

4-11 представлена зависимость спектральной плотности мощности рассеянноговоздухом излучения от угла рассеяния, падающего на фотодетектор, при длинах волноптического излучения а) - 0.25, 0.3, 0.35 мкм и б) - 0.45, 0.55, 0.65 мкм.а)б)Рис. 4-11. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного воздухом излучения,падающего на фотодетектор, от угла рассеяния при длинах волн оптического излучения а) 0.25, 0.3, 0.35 мкм и б) - 0.45, 0.55, 0.65 мкм.Рассеянное излучение одинаково по направлениям «вперед» и «назад», примерно в двараза меньшая мощность рассеивается в перпендикулярном направлении.На рис.

4-12 представлена зависимость спектральной плотности мощности рассеянноговоздухом излучения, падающего на фотодетектор, от длины волны падающего излучения приуглах рассеяния θ = 5, 20, 40°.139Рис. 4-12. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного воздухом излучения,падающего на фотодетектор, от длины волны при углах рассеяния θ = 5, 20, 40°.Спектральная плотность мощности рассеянного излучения, падающего на фотодетектор,резко уменьшается (~ 1 4 ) с увеличением длины волны оптического излучения.На рис. 4-13 представлены зависимости спектральной плотности мощности рассеянногоизлучения воздухом, падающего на фотодетектор, от угла рассеяния и длины волныоптического излучения.Рис.

4-13. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздухом,падающего на фотодетектор, от угла рассеяния и длины волны оптического излученияВ отличие от рассеяния одной аэрозольной частицей диизобутилфталата (рис. 4-9),зависимость имеет монотонный характер.1404.4 Сравнение светорассеяния аэрозольными частицами и воздухомПоскольку светорассеяние воздухом в фотометрируемом объеме представляет собойпаразитнуюфоновуюзасветку,важнопредставлятьколичественноесоотношениесветорассеяний одной аэрозольной частицей и воздухом. Для этого на рис.

4-14 ÷ 4-19представленысравнительныехарактеристикисветорассеянияаэрозольнойчастицейдиизобутилфталата радиусом 0.23 мкм и воздухом при различных углах рассеяния и длинахволн оптического излучения.Рис. 4-14. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.25 мкмРис. 4-15.

Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.3 мкм141Рис. 4-16. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.35 мкмРис. 4-17. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.45 мкмРис.

4-18. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.55 мкм142Рис. 4-19. Зависимость спектральной плотности мощности рассеянного излучения воздуха иодной аэрозольной частицы от угла рассеяния при длине волны оптического излучения0.65 мкмНа рис. 4-20 представлена зависимость угла рассеяния, при котором спектральнаяплотность мощности рассеянного излучения воздухом и аэрозольной частицей равны.Рис.

4-20. Зависимость угла рассеяния, при котором спектральная плотность мощностирассеянного излучения воздухом и аэрозольной частицей равны, от длины волныоптического излученияС увеличением длины волны оптического излучения равенство спектральной плотностимощностей рассеянного излучения воздухом в фотометрируемом объеме и одной аэрозольнойчастицей достигается при больших углах рассеяния. Таким образом, для уменьшения влияниясветорассеяния воздухом на чувствительность газоанализатора на МоЯК следует уменьшатьугол рассеяния. Однако, как указывалось выше, при малых углах практически невозможноустранить прямой оптический падающий луч и его отражения от стенок, шторок и световыхловушек аэрозольной камеры нефелометра.На рис.

Характеристики

Список файлов диссертации