声光效应测溶液浓度

声光效应测溶液浓度1引言1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。在科学研究中,溶液的浓度是一项重要的计量参数。测量溶液浓度的方法很多,如重力法、光纤法、棱镜折射法等。现在基于超声光栅测液体声速的原理,根据浓度不同声速也不同的特点,可以测量与声波波长相对应的超声光栅常数,从而实现对浓度的测量。本实验为测量溶液（非电解质溶液）的浓度提供了一种思路和方法。2利用声光效应测溶液浓度2.1超声光栅形成原理超声波是一种纵向机械应力波。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。y疏密反射板ytnn0nmaxnminnmax反射板nn0nminnmaxnmin密疏密疏密密疏疏t+T/2图1在t和t+T/2(T为超声振动周期)两时刻振幅y，液体疏密分布和折射率n的变化单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为l），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长A相当于光栅常数。2.2声光效应测声速实验原理当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：l2/A21时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k为衍射级次，k为零级与k级间夹角）sinkAk在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝S组成平行光系统，如图2所示。让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。fkSL1L2PZTφ图2WSG-I超声光栅仪衍射光路图若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图2中可以看出，当φk很小时，有：sinkklAf其中kl为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长：kklfkkAsin超声波在液体中的传播的速度：kclfV/式中的是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，Δkl为同一色光衍射条纹间距。2.3实验内容与步骤2.3.1分光计的调整（1）望远镜目镜调焦使看清分划板刻线；（2）用自准直法使望远镜聚焦于无穷远；（3）调节望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直；（4）调整载物台使其垂直于分光计中心轴；（5）调节平行光管使其出射平行光且与望远镜同轴，调节平行光管狭缝使其竖直且最小。2.3.2对不同浓度溶液中的声速进行测量，作出定标曲线(1)将待测溶液按浓度从大到小进行稀释,配制一组不同浓度的溶液，浓度分别为：90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%。（2）将待测溶液注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；（3）将此液体槽（可称其为超声池）放置于分光计的载物台上，放置时，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；（4）两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪电源箱的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；（5）开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节旋钮使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，并左右转动超声池，使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止；（6）取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使观察到的衍射条纹清晰。利用测微目镜逐级测量其位置读数，再用逐差法求出条纹间距的平均值，并计算声速。（7）按照上述步骤分别测量不同浓度溶液的衍射谱线各级的相对位置，并计算声速。2.3.3利用声光效应测量定标后溶液的浓度利用上述方法测出声波在溶液中传播的速度，利用定标曲线，求出该溶液浓度2.4实验注意事项（1）超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线；（2）锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；（3）实验时间不宜过长，时间过长，温度可能在小范围内有变动，从而影响测量精度；频率计长时间处于工作状态，其性能会受到影响，尤其在高频条件下有可能会使电路过热而损坏。（4）在使用测微目镜时，应单向旋转，以避免回程差。3结语溶液的浓度是一项重要的计量参数。测量溶液浓度的方法很多,现在基于声光效应测液体声速的原理,根据浓度不同声速也不同的特点,可以通过测量声波传播速度从而实现对溶液浓度的测量。若利用激光作为光源,这样得到的衍射光点将更加明显,衍射效果也更好,易于测量数据。在测量衍射光斑的间距时,可以引进CCD技术,同时辅助计算机测量,进而可以更加精确地求出液体中的声速。