Lentila termică

Efectul lentilei termice este un fenomen fizic care apare dacă o soluție este iradiată cu un fascicul laser . În condiții adecvate, soluția se comportă față de laser ca o lentilă divergentă. Acest fenomen poate fi folosit în scopuri științifice pentru a studia unele proprietăți ale materiei .

Profilul intensității laserului și încălzirea relativă a soluției

Prin utilizarea unui laser, este posibil să se determine unele cantități fundamentale, cum ar fi căldura specifică izobarică Cp, dispariția molară ε și absorbanța a doi solvenți comuni. Pentru efectuarea acestor măsurători, se folosește un fenomen numit lentilă termică. Raza laser care iese din eșantion este mărită ca și când ar fi trecut printr-o lentilă divergentă. Acest fenomen se bazează pe posibilitatea încălzirii unei probe într-un mod neomogen, ca de exemplu în cazul unui solvent la care se adaugă un colorant . Funcția colorantului este de a absorbi radiațiile laser și de a transfera energie, sub formă de căldură, către solvent. Încălzirea are loc radial, deoarece intensitatea fasciculului laser variază în mod descrescător de la centru spre exterior. Astfel, atunci când raza lovește proba, intensitatea maximă și, prin urmare, încălzirea vor fi în centrul porțiunii lovite de rază și vor scădea spre exterior.

Acest gradient de temperatură , dT, corespunde unei variații, întotdeauna radiale, a unor proprietăți fizice, cum ar fi densitatea ρ și indicele de refracție n, care sunt în general invers proporționale cu temperatura.

Fenomenul de refracție a luminii la interfața dintre două medii cu indice de refracție diferit.

Pentru a înțelege modul în care raza laser trece prin eșantion, este necesar să se utilizeze legea lui Snell

n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})\

{\ displaystyle n_ {1} \ sin (\ theta _ {1}) = n_ {2} \ sin (\ theta _ {2}) \}

{\ displaystyle n_ {1} \ sin (\ theta _ {1}) = n_ {2} \ sin (\ theta _ {2}) \}

unde n ₁ și n ₂ sunt indicii de refracție a două materiale diferite și θ ₁ și θ ₂ indică unghiurile descrise de raza incidentă și raza refractată în raport cu normalul interfaței dintre materiale.

Trebuie remarcat faptul că, dacă fasciculul este paralel cu normalul, nu există nicio abatere a fasciculului, situație care apare în mod normal în acest tip de experimente dacă nu există variații de temperatură. În cazul nostru, fiecare zonă cu o temperatură diferită trebuie considerată ca o suprafață diferită, care are propriul său indice de refracție. Atâta timp cât există gradienți de temperatură, vor exista indici de refracție diferiți și, prin urmare, lumina din interiorul probei va efectua căi speciale care implică dezvoltarea așa - numitului efect de lentilă . Dacă citiți intensitatea în centrul fasciculului de lumină, I _c , supus unui efect de lentilă, aceasta va scădea în timp. Această descompunere este descrisă de următoarea relație:

I_{c}=\Delta I_{bc}*e^{-\left({\frac {t}{t_{c}}}\right)}+I_{f}

{\ displaystyle I_ {c} = \ Delta I_ {bc} * e ^ {- \ left ({\ frac {t} {t_ {c}}} \ right)} + I_ {f}}

{\ displaystyle I_ {c} = \ Delta I_ {bc} * e ^ {- \ left ({\ frac {t} {t_ {c}}} \ right)} + I_ {f}}

unde ΔI _bc reprezintă pierderea de intensitate datorată „înfloririi” razei, I _bc intensitatea care apare atunci când raza nu este încă supusă unui efect de lentilă, iar I _f este intensitatea care poate fi citită la sfârșitul iradiere.

Tendința curentului I _c datorită efectului lentilei termice.

Acest fenomen este strâns legat de capacitatea de absorbție a energiei luminoase de către probă (absorbanță), capacitatea sa de a se încălzi prin această energie (capacitate termică) și ușurința cu care este atins echilibrul termic ( conductivitatea termică ). S-a văzut că expresia maximă a efectului lentilei apare atunci când laserul, după ce a fost focalizat cu un obiectiv convergent, lovește eșantionul poziționat la o distanță, z _c , numită distanță confocală . Această distanță corespunde punctului în care este fasciculul fasciculului laser, w _c

w_{c}=2^{1 \over 2}w_{0}

{\ displaystyle w_ {c} = 2 ^ {1 \ peste 2} w_ {0}}

{\ displaystyle w_ {c} = 2 ^ {1 \ peste 2} w_ {0}}

În cazul în care w ₀ este raza fasciculului în punctul de focalizare, această valoare este ușor calculată, de fapt:

w_{0}={\lambda f \over \pi w_{i}}

{\ displaystyle w_ {0} = {\ lambda f \ over \ pi w_ {i}}}

{\ displaystyle w_ {0} = {\ lambda f \ over \ pi w_ {i}}}

λ este lungimea de undă, f este distanța la care obiectivul focalizează fasciculul și w _i este lățimea fasciculului înaintea obiectivului.

Schema de poziționare a probei

Mai mult, dacă poziționarea probei respectă aceste caracteristici, se poate scrie o relație simplă între intensitatea luminii și absorbanța probei.

{\Delta I \over I}=-2.303P{dnA \over dT\lambda k}

{\ displaystyle {\ Delta I \ over I} = - 2.303P {dnA \ over dT \ lambda k}}

{\ displaystyle {\ Delta I \ over I} = - 2.303P {dnA \ over dT \ lambda k}}

In care $dn \over dT$ ${\ displaystyle dn \ over dT}$ ${\ displaystyle dn \ over dT}$ reprezintă variația indicelui de refracție față de variația temperaturii din eșantion, A este absorbanța, λ este lungimea de undă a fasciculului laser și k este conductivitatea termică a solventului. Deci, odată ce am interpolat dezintegrarea și am determinat ecuația care o reglementează, suntem capabili să calculăm C _p având în vedere relația simplă care o leagă de t _c :

C_{p}={4t_{c}k \over w_{c}^{2}\rho }

{\ displaystyle C_ {p} = {4t_ {c} k \ over w_ {c} ^ {2} \ rho}}

{\ displaystyle C_ {p} = {4t_ {c} k \ over w_ {c} ^ {2} \ rho}}

ρ este densitatea eșantionului.

Pentru dezvoltarea acestui experiment poate fi utilizată o bancă optică cu următoarele aparate:

Schema aparatului experimental

Pentru a determina distanța dintre eșantion și obiectivul convergent, lățimea fasciculului poate fi măsurată pe obiectiv și pe eșantion poziționat pe un traducător automat. Între eșantion și fotodiodă este poziționat un iris, o diafragmă cu diametru variabil, care servește la umezirea fasciculului și astfel se evită saturația detectorului. Curentul citit de fotodiodă este analizat de un osciloscop . Esențial pentru citirea unui curent și pentru formarea lentilei termice într-un astfel de sistem este utilizarea unui elicopter . Acest dispozitiv simplu, practic o elice rotativă, poziționat înainte ca lentila convergentă să treacă alternativ fasciculul laser. Având fasciculul într-un ciclu on-off permite eșantionului să revină la temperatura camerei și oferă posibilitatea de a avea o linie de bază pentru graficul citit pe osciloscop.