硫代硫酸鈉光度法測定硫代硫酸鈉中的固態(tài)硫

硫代硫酸鈉光度法測定硫代硫酸鈉中的固態(tài)硫

1散射光的形成及其與粒子散射的關(guān)系光的分散是一個重要的物理現(xiàn)象。在具有相同或兩種不同折射的均勻介質(zhì)的界面中，即使是光的折射、反射和折射，也僅限于指定的方向，而其他方向的光強(qiáng)度則對應(yīng)于零。因此，很難沿光的方向觀察。然而，如果光束通過不均勻的光學(xué)性質(zhì)材料，它可以看到光，這就是光的分散。光學(xué)性質(zhì)的不均勻可能是由于均勻物質(zhì)中散布著其他物質(zhì)的大量微粒,也可能是由物質(zhì)本身的組成部分(粒子)的不規(guī)則聚集所造成,例如塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液以及毛玻璃等.由于這些微粒的線度一般小于或近似等于入射光的波長,而它們相互之間的距離比波長大,且排列得毫無規(guī)則,因此,在光作用下的振動彼此間就沒有固定的相位關(guān)系,在任何觀察點(diǎn)所看到的總是它們所發(fā)出的次級輻射的不相干疊加,到處不會相消,從而形成了散射光.由微粒引起的散射,其特征與微粒的線度有關(guān),其中,線度小于光波長的微粒對入射光的散射,稱為瑞利散射;線度接近或大于光波長的微粒對入射光的散射,為米氏散射.近年來,一些學(xué)者對于光散射現(xiàn)象進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)研究.本實(shí)驗(yàn)利用硫代硫酸鈉和稀鹽酸的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生線度小于可見光波長硫分子;利用硫分子的凝聚,產(chǎn)生線度接近或大于與可見光波長相近的顆粒.在上述過程中通過白光照射反應(yīng)液,可以直觀地演示瑞利散射和米氏散射,并研究和分析瑞利散射時光的偏振特性;也可以通過該實(shí)驗(yàn)解釋藍(lán)天、白云以及日出日落與正午時天空呈現(xiàn)不同顏色等自然現(xiàn)象,具有實(shí)驗(yàn)裝置簡單,物理現(xiàn)象明顯,操作方便等特點(diǎn),非常適合作為物理課堂演示實(shí)驗(yàn).2實(shí)驗(yàn)原理2.1米氏散射的特性瑞利散射適用于孤立原子或分子的散射,也適用于純凈介質(zhì)的密度起伏導(dǎo)致的散射.瑞利散射具有以下4個特征:1)波長不變,即散射光波長與入射光波長相同.2)散射光強(qiáng)度與波長四次方成反比,即I∝1/λ4.3)散射光強(qiáng)依空間方位呈啞鈴形角分布.設(shè)入射光是自然光,則在與入射光方向呈θ角(習(xí)慣上稱為散射角)的方向上,散射光強(qiáng)為其中Iπ/2為垂直于入射光即θ=π/2方向的散射光強(qiáng),散射光強(qiáng)分布如圖1所示.4)當(dāng)自然光入射時,各方向的散射光一般為部分偏振光,但在垂直入射光方向上的散射光是線偏振光,沿入射光方向或其逆方向的散射光仍是自然光.米氏散射與瑞利散射的區(qū)別在于,米氏散射微粒較大,線度接近或大于光波長.當(dāng)粒子線度a與光波長可以比擬(a/λ數(shù)量級為0.1~10)甚至更大時,隨著粒子線度的增大,散射光強(qiáng)與波長的依賴關(guān)系逐漸減弱,而且散射光強(qiáng)隨波長的變化出現(xiàn)起伏,這種起伏的幅度也隨著比值a/λ的增大而逐漸減少,如圖2所示.2.2瑞利散射加熱法硫代硫酸鈉與稀鹽酸反應(yīng),在溶液中緩慢產(chǎn)生不溶于水的固態(tài)硫分子:由于溶液較稀,開始時只有少量硫分子,其顆粒線度小于光波長,滿足瑞利散射條件;隨著化學(xué)反應(yīng)過程的持續(xù),濃度不斷增大,對光的散射也不斷增強(qiáng).接著多個硫分子聚結(jié)成不溶于水的硫顆粒,其線度接近和大于光波長,產(chǎn)生米氏散射.3試驗(yàn)設(shè)備和現(xiàn)象3.1量筒的量對比膠片投影儀1臺、透明玻璃水槽1個、量程為50mL和25mL的量筒各1個、、50mL的燒杯2個、玻璃棒1支、白屏1個;0.1mol/L的硫代硫酸鈉溶液、0.1mol/L的稀鹽酸適量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.3.2散射光的結(jié)果打開膠片投影儀,將透明玻璃水槽置于膠片投影儀上.膠片投影儀發(fā)出的強(qiáng)光透過玻璃水槽投影在白色屏幕上.用燒杯將50mL硫代硫酸鈉溶液倒入玻璃水槽中.用玻璃棒引流,將10mL稀鹽酸緩緩倒入硫代硫酸鈉溶液中,并輕輕攪拌.1)隨著反應(yīng)的進(jìn)行,玻璃水槽中的溶液由無色逐漸變成淺藍(lán)色,這是由于化學(xué)反應(yīng)生成了顆粒線度遠(yuǎn)小于可見光波長的硫分子,對膠片投影儀所發(fā)出的強(qiáng)光產(chǎn)生了瑞利散射,散射光的強(qiáng)度正比于1/λ4.顯然短波長的藍(lán)光更容易被散射,因而觀察到溶液呈淺藍(lán)色.從側(cè)面透過偏振片觀察溶液,轉(zhuǎn)動偏振片,可以觀察到溶液散射光強(qiáng)度的變化,這是因?yàn)榇怪比肷涔夥较蛏系纳⑸涔馐蔷€偏振光,而散射光總體特性是部分偏振光.利用這一現(xiàn)象,可以向?qū)W生解釋晴朗天空呈藍(lán)色的原因,是大氣散射陽光的結(jié)果.由于大氣的散射,將陽光從各個方向射向觀察者,我們才看到了光亮的天穹.如果沒有大氣層,即使在白天,人們仰望天空,將看到光耀眩目的太陽懸掛在漆黑的背景中,就像宇航員在太空見到的空中景象.而晴朗的天空之所以呈淺藍(lán)色,是因?yàn)樘鞖馇缋蕰r,大氣層中氣體分子、塵埃和水分子的顆粒尺寸較小,對陽光產(chǎn)生瑞利散射.根據(jù)瑞利定律,淺藍(lán)色和藍(lán)色光比黃色和紅色的光波長短,因此散射現(xiàn)象更加明顯,故散射光中波長較短的藍(lán)光占優(yōu)勢,天空呈藍(lán)色.2)隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,溶液越來越渾濁.這時觀察白屏,可以看到從膠片投影儀發(fā)出的光,穿過溶液照射到白屏上呈暗紅色.這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行,散射分子的濃度越來越大,波長較短的光大部分被散射,只有波長較長的紅光穿過了溶液,到達(dá)了白屏上.這就如同清晨日出或傍晚日落時,看到太陽呈紅色.因?yàn)榇藭r太陽光幾乎平行于地平面,光線穿過的大氣層最厚,如圖4所示.所有波長較短的藍(lán)光、黃光等幾乎都朝側(cè)向散射,接近地面的空氣中有塵埃,更增強(qiáng)了散射作用,最終僅剩下波長較長的紅光到達(dá)觀察者.3)反應(yīng)結(jié)束時,溶液呈乳白色.硫粒子尺寸增大,已超過瑞利散射的范圍,散射光的強(qiáng)度不再隨波長變化,而產(chǎn)生固態(tài)硫的濃度也逐漸增大,使得所有波長的光均被散射,觀察者就觀察到了乳白色的溶液.這時教師可以將此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與以下的自然現(xiàn)象相比較:當(dāng)空中有霧或薄云存在時,因?yàn)樗蔚闹睆奖瓤梢姽獠ㄩL大得多,選擇性散射的效應(yīng)不再存在,不同波長的光都將被散射,所