ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI

SPRAWOZDANIE

Temat: Wyznaczanie stężenia roztworów koloidalnych metodą nefelometryczną.

1) Teoria falowa światła - według tej teorii rozchodzenie się fali elektromagnetycznej to przemieszczanie się zaburzeń pola elektromagnetycznego, a więc jest to przemieszczanie się energii w przestrzeni, w czym pośredniczą okresowe zmiany pola elektrycznego i pola magnetycznego. Uważa się dziś, że zjawiska charakterystyczne dla fal, jak na przykład interferencję światła można wyjaśnić tylko za jej pomocą. Jednakże w przeciwieństwie do opozycyjnej teorii korpuskularnej teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk, jak na przykład efektu fotoelektrycznego. Przyjmuje się więc, iż światło ma naturę dualną.

2) Własności światła:

- prostoliniowe rozchodzenie w ośrodkach jednorodnych;

- załamanie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali (załamanie fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka;

- odbicie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi;

- dyfrakcja - zmiana kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

3) Zjawiska zachodzące w wyniku nakładania się fal:

- interferencja - zjawisko powstawania nowego, przestrzennego rozkładu amplitudy fali (wzmocnienia i wygaszenia) w wyniku nakładania się (superpozycji) dwóch lub więcej fal. Warunkiem interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz, amplitudy i częstotliwości;

- dudnienie - oscylacje amplitudy fali.

Rozszczepienie - zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości.

4) Zjawisko rozproszenia (fal elektromagnetycznych) - zjawisko oddziaływania światła z materią, w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła, z wyjątkiem zjawisk opisanych przez odbicie i załamanie światła. Wywołuje złudzenie świecenia ośrodka. Rozróżnia się rozpraszanie światła:

- sprężyste - podczas rozpraszania nie następuje zmiana energii (częstotliwości) światła;

- niesprężyste - podczas rozpraszania zmienia się energia (częstotliwość) światła.

Fizycznie zjawisko rozpraszania związane jest z falową naturą światła, które oddziałując z materią powoduje jej drgania i wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych. Te wtórne fale nazywane są promieniowaniem rozproszonym (rozpraszaniem). Wiele zjawisk fizycznych związane jest z rozpraszaniem światła, mimo że zazwyczaj nie używamy tej terminologii w potocznej mowie. Np. odbicie od porowatych powierzchni (odbicie dyfuzyjne), dyfrakcja, a nawet odbicie i załamanie światła można tłumaczyć jego rozpraszaniem (zasada Huygensa).

5) Układ koloidalny - układ dyspersyjny, najczęściej dwuskładnikowy, o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo. Składnik tworzący fazę ciągłą układy nazywamy ośrodkiem dyspersyjnym lub rozpraszającym, drugi zaś fazą rozproszoną lub składnikiem rozproszonym. Faza rozproszona składa się z cząstek koloidalnych o wymiarach od 1 do 100 nm, a nawet 500 nm, czyli cząstek dających się rozpoznać za pomocą ultramikroskopu. Roztwory koloidalne są zazwyczaj układami dwufazowymi. Właściwości:

- rozpraszanie światła;

- mętnienie;

- efekt Tyndalla - polega na bocznym rozpraszaniu światła przechodzącego przez układ koloidalny, którego rozmiary są mniejsze od długości fali ośrodka, zjawisko świadczy to o budowie koloidalnej.

6) Rozpraszanie Rayleigha - rozpraszanie światła przez ośrodki mętne. Jeżeli na ośrodek rozpraszający pada światło niespolaryzowane, to natężenie I światła rozproszonego pod dowolnym kątem
do kierunku wiązki pierwotnej obserwowane w punkcie A wyraża się wzorem:

; gdzie:

λ - długość fali wiązki padającej;

R - odległość od pkt A;

I₀ - natężenie wiązki pierwotnej;

α - polaryzowalność.

Natężenie światła rozpraszanego przez ośrodki mętne zależy zarówno od parametrów fali padającej, kierunku obserwacji jak i od właściwości cząstek rozpraszających.

Dla cząstek rozpraszających oświetlanych światłem monochromatycznym (o jednakowej długości i częstotliwości fali w każdym punkcie), natężenie światła rozproszonego w każdym kierunku zależy od parametrów charakteryzujących cząstki rozpraszające:

n - liczba cząsteczek rozpraszających w jednostce objętości

V - objętość cząstki rozpraszającej

K - współczynnik zależny od kierunku obserwacji i odległości od wiązki przechodzącej oraz od właściwości ośrodka.

Jeżeli równoległą wiązkę przepuścimy przez roztwór mętny, to wiązka ta ulega na swej drodze osłabieniu w wyniku rozpraszania. Spadek natężenia światła przechodzącego opisuje wzór:

; gdzie:

I_p - natężenie światła przechodzącego

l - długość drogi wiązki w ośrodku mętnym

τ - współczynnik zmętnienia (mętność ośrodka)

Współczynnik zmętnienia jest wielkością charakterystyczną dla danego ośrodka mętnego. Jego wartość liczbowa określa stopień osłabienia wiązki w wyniku rozpraszania.

Aby zbadać ilościowo zjawisko rozpraszania trzeba zmierzyć liczbowo natężenie światła rozproszonego (metoda nefelometryczna), lub natężenie światła przechodzącego (metoda turbidymetryczna).

7) W metodzie turbidymetrycznej mierzymy zazwyczaj turbidancję - wielkość analogiczną do absorbancji:

I_p - światło przechodzące

Po przekształceniu równania na spadek natężenia światła przechodzącego otrzymujemy:

Pomiar turbidancji pozwala wyznaczyć
.

8) W nefelometrii wykorzystuje się pomiar natężenia światła rozproszonego.

, stąd:

I = Bc

gdzie:

Z powyższego wynika, że natężenie światła rozproszonego jest proporcjonalne do stężenia roztworu. Aby uniknąć konieczności wyznaczania B wykonuje się pomiary natężenia dla kilku roztworów o znanym stężeniu, po czym wykreśla się krzywą wzorową I = f(c) .

Względne natężenie światła rozproszonego można w spektrofotometrze odczytać ze skali transmisji. Transmitancja T równa się wartości liczbowej względnego natężenia światła rozproszonego I_w.

Lp.	C	IW (ilość działek)

---