Интерферометрия

Электронная микроскопия

Как отмечалось ранее, с помощью оптического микроскопа невозможно наблюдение частиц меньше 0,1 мкм, т. е. меньших самой короткой длины волны видимого света. С помощью электронного микроскопа такое ограничение может быть снято.

Основное отличие электронного микроскопа от оптического заключается в использовании вместо лучей света потока электронов, при этом вместо стеклянных или кварцевых линз используются линзы магнитные или электрические. На рис. 5.2.3.2 приведена упрощенная схема электронного микроскопа просвечивающего типа с магнитными линзами.

Источником электронов служит нагреваемая током вольфрамовая нить. Электроны, испускаемые нитью, ускоряются сильным (до 50000 В) напряжением, приложенным между нитью и анодом. В центре анода просверлено отверстие, через которое в виде узкого пучка вылетают электроны, ускоренные в электрическом поле. Эта часть микроскопа называется электронной пушкой. Электроны, вылетевшие из электронной пушки, попадают в поле первой магнитной конденсорной линзы. Назначение конденсор-ной линзы - собрать (сфокусировать) пучок на исследуемом объекте.

Пройдя сквозь изучаемый препарат, электроны попадают на вторую магнитную линзу - объективную, с помощью которой достигается сильное увеличение. Дальнейшее увеличение (до 25000 раз) создается пбсле прохождения электронов через поле третьей магнитной линзы - проекционной.

Из проекционной линзы электроны попадают • на фотопластинку или экран, покрытый слоем люминофора - вещества, способного светиться под ударами падающих на него электронов. Изображение частиц, полученное на экране, больше оригинала в 10-25 тысяч раз. Дальнейшее увеличение осуществляется при фотографировании объектов и его печати с негатива. Так как воздух сильно метает движению электронов, то в электронном микроскопе поддерживается высокий вакуум (до 1,3 10"⁸ атм).

Электронный микроскоп неоценим при изучении микробов, фильтрующихся вирусов, высокомолекулярных соединений и коллоидных систем. С помощью электронного микроскопа можно выяснить размеры и форму ультрадисперсных частиц.

Интерферометрия основана на пространственном разделении пучка света с помощью какого-либо устройства с целью получения двух или более взаимно когерентных лучей', которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и наблюдается результат их интерференции. Прибор, служащий для получения интерференционной картины световых лучей, называется оптическим интерферометром.

Вид интерференционной картины зависит от способа разделения пучка света на взаимно когерентные лучи, от их числа, их относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света. Многолучевые интерферометры используют главным образом в качестве спектрометров высокого разрешения для исследования тонкой структуры спектральных линий и определения их формы, а двухлучевые предназначены для работы как в качестве спектральных, так и в качестве приборов для физических и технических измерений, в частности, для измерения показателя преломления газов, жидкостей и растворов. Рассмотрим двухлучевой интерференционный рефрактометр, называемый часто интерферометром Жамена, схема которого приведена на рис. 5.2.6.1.

Пучок монохроматического света S (в качестве источника излучения используется лазер) после отражения от передней и задней поверхностей первой стеклянной пластинки pi разделяется на два луча S_t и S₂. Пройдя через кюветы ki и К₂ и отразившись от поверхностей стеклянной пластинки Р₂, лучи попадают в зрительную трубу Т, где интерферируют, образуя прямые полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена

¹ Когерентностью света называется взаимная согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства и (или) времени, характеризующая их способность к интерференции

веществом с показателем преломления я/, а другая - с п_г, то лучи света будут проходить свои оптические пути за разное время, так как скорость света в различных средах разная. В результате этого, по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом (т. е. времена прохождения лучей одинаковы), произойдет смещение интерференционной картины на число полос m и можно будет найти разность показателей преломления:

Aw=n/-«2 = т Я/7 (5.2.6.1)

где Л - длина волны света, /- длина кюветы.

Точность измерения Aw очень высока и достигает седьмого и даже восьмого знака после запятой. С помощью интерферометра Жамена проводят количественный анализ сильно разбавленных растворов, определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например, аммиака в рабочей зоне холодильника, углекислого газа и метана в овощехранилище и т.д. Большинство современных спектрофотометрических приборов устроены по принципу интерферометра, например, ИК-Фурье спектрометры "ФС-2", "Флюорат-ФС1","ИнфраЛЮМ ФТ-02" ","ИнфраЛЮМ ФТ-10".

Методы определенияструктурно-механических свойств (реологические свойства)

Основные понятия реологии

Тела, материалы, пищевые продукты относятся к реологическим телам, которые обладают упругостью, пластичностью, прочностью и вязкостью.

Реология – как наука по деформации и течению реологичных тел исходит из специфического поведения тел при механическом нагружении. Она исследует соотношения между действующим на тело напряжением и обусловленным его действием деформации.

Реологически разные виды тел при равных напряжениях проявляют различное деформационное поведение, что обусловленно материально-структурными свойствами тел, которые могут быть определены, как реологические константы материала.

Реометрия определеяет все наиболее существенные реологические константы посредством специфического механического воздействия на исследуемое тело. Следует отметить, что невсегда при определенном виде деформации одновременно проявляются все реологические свойства тела, поэтому для полной количественной оценки реологические свойства тела необходимо применять различные методы нагружения.

Наиболее важной величиной, определяющей различное состояние вещества является вязкость (внутренне трение) - отношение напряжения сдвига к скрости сдвига или скорости деформации.

τ

η = ----- [Dа∙ c]

γ

Величина обратная вязкости называется текучестью.

Пластическая вязкость характеризует тела, которые дефорируются при напряжениях превышающих некоторый предел (предельное напряжение двига).

Прочность – это способность тела сопротивляться формоизменению под действием внешних сил.

Пластичность – это способность телак формоизменению или течению, вызываемому остаточными необратимыми деформациями.

Упругие свойства определяются предельным напряжением сдвига и другими механическими характеристиками.

Под напряжением сдвига понимают сопротивление тела касательной составляющей приложенный силы, которое равно отношению этой силы к поверхности сдвига.

Τ = Р/ S [Па]

Релоксация напряжений – это процесс постепенного рассеивания запасенной в теле упругой деформации

Ползучесть – это свойство материала непрерывно деформироваться под действием постоянной нагрузки.

Тиксотропия – это способность некоторых систем самопроизводльно восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием. Она свойственна дисперсным системам, обнаружена у многих пищевых полуфабрикатов и продуктов, у парфюмерно-косметических полуфабрикатов и изделий.

Свойства жидкостей

К жидкостям относятся такие вещества у которых при постоянном напряжении сдвига наблюдается течение, т.е. деформация с постоянной или переменной скоростью. Свойства жидкостей проявляются и у пластичных тел, после превышения предела текучести.

Отношение напряжения сдвига к скрости деформации является реологической костнатой жидкости и называется Ньютоновской вязкостью.

Для неньютоновских жидкостей вязкость – это функция скорости сдвига, поэтому ее называют «кажущейся» или эффективной вязкостью.

Инстурментальное определение эффективной вязкости предусматривает измерение пар значений [τ,γ] в обширной области скорости сдвига, для изображения кривой течения и функции вязкости.

Для характеристики жидкостей используют кривые течения, которые предусматривают собой зависимость напряжений сдвига от скорости сдвиговой деформации в условиях простого сдвига.

Реограмма ньютоновских жидкостей представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (1).

Она характеризуется реологическим уравнением:

1) τ = η · γ

Вес кривые течения, которые отклоняются от прямой линии соотвтетствуют неньютоновским жидкостям.

Кривая (2) показывает дилатантное течение характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при которых с увеличением скорости деформации поступает «затруднение сдвига». Примером дилатантных материалов является сгущенное молоко, полимерный клей для сигарет, концетрированный раствор крахмала. Это течение описывает уравнение.

2) τ = τ ⁰ + (η _пл · γ)ⁿ, n > 1

τ ⁰ – начальная

Кривая (3) показывает псевдопластическое течение характерное для сдвигового размягчения вследствии разрушения структуры с увеличением деформации. Это течение описывается степенным законом Оствальда.

3) τ = k · γ ⁿ , n < 1

где k – коэффициент консистенции;

n – индекс течения.

При n = 1, степенной закон сводится к выражению Ньютона.

Примеры: томатная паста, сахарные сиропы, хлебопекарное тесто, растворы мыла.

Кривая (4) показывает нелинейное пластичное течение характерное для большинства пластичных тел.

Пластичное течение – это течение, при котором не наблюдается пропорциональность зависимости между скоростью сдвига и напряжением сдвига.

При достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно по мере увеличения градиента скорости, такое течение описывается уравнением Кассона.

4) τ = τ _к + η _к · γ

τ _к - предельное напряжение по Кассону

η _к - пластическая вязкость по Кассону

Уравнение Кассона используется при описании течения расплавленного шоколада, сливочного масла, вафельного теста, губной помады.

Линейный участок кривой (5) характерен для бингамовских тел и соответствует идеально пластичному течению.

Идеально пластичное течение – это течение, начинающееся после достижения предельного напряжения, когда наблюдается пропорциональность между скоростью и напряжением сдвига.

Это течение описывается уравнением Бингама.

5) τ = τ₀ + η _пл · γ

τ₀ – предельное напряжение сдвига

η _пл – пластичная вязкость

Пример: маргарин, сырково-творожные и конфетные массы, зубная паста, жидкие мыла и моющие средства.

Эффективная вязкость неньютоновских жидкостей состоит из 2-х компонентов:

1. ньютоновской вязкости η _∞, которая основана на внутреннем трении жидкости и представляет физическую константу материала.

2. структурного сопротивления η _эф (γ) - η _∞ материала, который зависит от структурного состояния дисперсных систем и является функцией скорости сдвига.

Степень разрушения структуры α может быть описана уравнением

соответственно эффективная вязкость является реологической характеристикой, которая учитывает внутреннее трение и структурно-динамическую равновесную компоненту.

В диапазоне η ₀ ≥ η _эф ≥ η _∞ разрушение и восстановление структуры, при определенной скорости сдвига находятся в равновесном состоянии. При изменении скорости сдвига системы без промедления переходит в новое структурное состояние и поэтому называется стабильной.

У некоторых неньютоновских жидкостей эффективная вязкость зависит от продолжительности сдвига t

τ / γ = η (γ; t) = η _эф (t)

При этом говорят о дисперсной системе со структурой, которая изменяется при сдвиговом напряжении и достигает динамического равновесия с некоторым запаздыванием.

1). Если при повышении скорости сдвига наступает замедленное по времени уменьшение эффективной вязкости, это тиксотропное поведение и дисперсная система этого вида называется тиксотропной жидкостью.

2). Если при повышении скорости сдвига наступает замедленное по времени повышение η _эф, то это реопексивное поведение, и дисперсная система этого вида называется реопексивной жидкостью.

Тиксотропию (обратимое изменение физико-механических свойств дисперсных систем при механическом воздействии в изотермических условиях) и реопексию (среды, вязкость которых в первом случае уменьшается, а во втором возрастает с увеличением продолжительности деформирования) считают обратимыми только в том случае, если после прекращения сдвигового нагружения постепенно устанавливается начальное значение η _эф.

При тиксотропном и реопексивном поведении восходящая и нисходящая кривые реограммы не совпадают. Наблюдается гистерезис, проявляющийся особенно ярко при скачкообразном изменении скорости сдвига.

тиксотропная жидкость реопексивная жидкость