水的光學特性實驗研究

張曉峻1,董婉佳1,孫露2,孫晶華1(.哈爾濱工程大學理學部，黑龍江哈爾濱150001;2.北京郵電大學信息與通信工程學院，北京100876)摘要：對水的光學特性進行了實驗研究，測量了海水和清水的透射光譜、在室溫下的折射率以及折射率隨溫度變化的曲線，測量了海水、純凈水和清水對綠光(=532nm)的衰減系數(shù)；比較了清水、純凈水和海水的光譜特性、折射率和衰減特性的差異，為水下光學探測提供實驗依據(jù)。關鍵詞：折射率；水的光譜；衰減特性中圖分類號：R733.3 文獻標志碼：B文章編號：1002-49562014)3-0043-03Experimentalresearchonopticalpropertiesof網(wǎng)terZhangXiaojum,DongWanjia1,SunLu2,SunJinghuai1.CollegeofScence,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;2.SchoolofInformatonandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPotsandTelecommunications,Beijing100876,China)Abstract:Theopticalpropertiesofwaterareexperimentallystudied;transmissionspectraofseawaterandtapwateraremeasured,respectively；refractiveindexesatroomtemperatureftapwaterandseawater,andthechangeoftherefractiveindexeswithtemperaturearemeasured,respectively；attenuationcoefriicientsoftheseawaterandthetapwateraremeasured,respectively,atthewavelength/=532nm；differencesofthetapwaterandtheseawaterintheaspectsofspectrumcharacteristics,refractiveindex,attenuationcharacteristics,etc.,arecompared.Itcanprovideanexperimentalbasisforunderwaterdetection. Keywords:refractiveindex；spectrumofwater；attenuationcharacterstrcs1水的吸收光譜特性各種物質(zhì)有其特殊的吸收光譜特性。水的吸收光譜特性與水中所含的物質(zhì)成分密切相關1-］。由于水分子在紫外和紅外光譜帶上有強烈的共振，因而對這部分光表現(xiàn)出強烈的吸收作用。紫外的共振是由于電子的激發(fā)而引起的，紅外的共振起因于分子的激發(fā)4-］。水分子在可見光譜帶范圍產(chǎn)生的共振 較弱，因此水在可見光范圍內(nèi)的吸收比紫外和紅外小得多 7-］。1.1光譜測量裝置光譜測量裝置如圖1所示。光譜儀為Ma—ya2000pro微型光纖光譜儀，光源為DH2000~BAL氘鹵鎢燈平衡型光源。1.2光譜測量結果測得的清水自來水)和海水的透射光譜見圖2。收稿日期：2013T2—)4作者簡介：張曉峻1980—),男，江蘇泰州，在讀博士研究生，講師，主要從事實驗教學和光電檢測技術方面的研究E—iail：zhangxiaojun@hrbeu.通信作者：孫晶華1963—),男，黑龍江雞西，博士，教授，從事物理實驗教學和光電檢測技術方面的研究.圖1光譜測量裝置由測得的透射光譜可以看出：在可見光范圍內(nèi)，清水比海水的透射光譜范圍寬，且透射率高；海水在波長400—500nm范圍內(nèi)透射率最高，在波長500—600nm范圍內(nèi)透射率居其次，在波長600—800nm范圍內(nèi)透射率最低。2水的折射率本測量的折射率是指該介質(zhì)對589.3nm的鈉黃圖圖3折射率測量裝置圖2海水與清水透過率光譜比較光所具有的折射率。2.1測量裝置折射率測量裝置如圖3所示，其中有2WA紂阿貝折射儀，ZKY-PID溫控實驗儀。2.2水的折射率測量結果測得的純凈水、清水、海水在不同溫度下對波長為589.3nm的折射率n見表1一表3,表中-為n的平均值。對應的折射率隨溫度的變化曲線如圖 4所示。表1不同溫度下純凈水的折射率數(shù)據(jù)溫度/°c n -18.91.33301.33321.33331.33301.33321.333122.11.33251.33241.33251.33241.33241.332426.01.33171.33181.33161.33181.33171.331729.61.33101.33121.33111.33121.33111.331133.61.33051.33061.33051.33051.33071.330637.41.33011.33001.33001.33001.33001.330041.41.32951.32941.32951.32941.32931.329445.41.32901.32891.32911.32901.32901.329049.21.32851.32841.32851.32851.32831.328453.11.32741.32751.32751.32741.32731.327456.01.32691.32691.32691.32681.32691.326958.91.32601.32611.32631.32611.32601.3261表2不同溫度下的清水折射率數(shù)據(jù)溫度/°cn-18.91.33331.33341.33331.33311.33341.333322.11.33241.33261.33251.33261.33261.332526.01.33211.33201.33201.33211.33201.332029.61.33111.33101.33121.33101.33101.331133.61.33051.33061.33051.33061.33051.330537.41.33001.33001.32981.32991.33001.329941.41.32961.32951.32951.32951.32951.329545.41.32901.32911.32881.32901.32891.329049.21.32851.32841.32851.32851.32851.328553.11.32741.32761.32751.32751.32741.327556.01.32641.32641.32651.32651.32651.326558.91.32601.32591.32581.32621.32581.3259

張曉峻，等：水的光學特性實驗研究表3不同溫度下海水的折射率數(shù)據(jù)溫度/Cn-18.9 1.33911.3389 1.3391 1.3394 1.33901.339122.1 1.33851.3384 1.3385 1.3385 1.33861.338526.0 1.33801.3379 1.3380 1.3378 1.33771.337929.6 1.33741.3375 1.3373 1.3375 1.33751.337433.6 1.33651.3366 1.3366 1.3365 1.33661.336637.4 1.33611.3360 1.3361 1.3360 1.33601.336041.4 1.33551.3355 1.3355 1.3355 1.33541.335545.4 1.33501.3351 1.3349 1.3350 1.33501.335049.2 1.33451.3345 1.3344 1.3344 1.33451.334553.1 1.33401.3340 1.3339 1.3341 1.33391.334056.0 1.33341.3335 1.3336 1.3336 1.33361.333558.9 1.33291.3330 1.3328 1.3329 1.33291.3329rjjtii（]jj2rj.u 出i.niu.ih*叫口rjjtii（]jj2rj.u 出i.niu.ih*叫口4)II1UIKJ1.^2Ik）*IJZSiJllL.ilfilKJIK]I.3Z31*1圖4純凈水、清水和海水折射率隨溫度變化曲線對比圖由實驗曲線可以看出，純凈水、清水、海水的折射率都隨溫度的增加而減小，且呈線性變化。經(jīng)計算，3條直線的斜率近似相等，均為1.55X10-4。。-1。在室溫19°C）時，海水的折射率為1.3391,純凈水和清水的折射率分別為1.3331和1.3333。3水的衰減特性3.1衰減系數(shù)定義平面光波在吸收媒質(zhì)中傳播時，經(jīng)過一厚度為dl的平行薄層后，光強從I變到I+dl，如圖5所示，根據(jù)Lambert-Beer定律lo-rn，dIA與吸收層的厚度dl成正比，即：dITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"I——adl 1）式中a為衰減系數(shù)，由媒質(zhì)的特性決定。對于厚度為1的介質(zhì)層，有\(zhòng)o"CurrentDocument"II——al+C 2）式中，C為一積分常數(shù)。如當〔=。時，I=Io，則C=inI0，代入婦式有1—Ioe-al 3）式3）就是朗伯-匕爾定律的數(shù)學表示式。由3）式可得11I 蛀a———n———lIl0式中，T為透過率。圖5平面光波在吸收媒質(zhì)中傳播示意3.2衰減系數(shù)測量實驗結果實驗儀器僅在圖1中增加1片透射波長為532nm的濾光片，其他相同。比色皿的長度為1cm，測得的海水、純水和清水對于波長X=532nm的透過率平均值分別為99.47%、99.62%和99.62%，衰減系數(shù)平均值分別為0.5314m-1、0.3807m-1和0.3807m-1。4結論由測得的透射光譜可以看出，在可見光范圍內(nèi)，清水的透射光譜比海水的寬，透射率高。海水在400一500nm波長范圍內(nèi)透射率最高，在500一600nm波長范圍內(nèi)透射率次之，在600一800nm波長范圍內(nèi)透射率最低。用阿貝折射儀測量了純凈水、清水和海水的下轉(zhuǎn)第50頁）大型科學文獻數(shù)據(jù)庫如ACS、Elsevier、RSC、AIP.APS.ElCompendex等)也沒有檢索到相關內(nèi)容，可能根本就沒有進行過類似的研究。文獻11]本身就是轉(zhuǎn)載別的手冊數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)來源已不可考，況且對于苯酚-叔丁醇這樣能夠形成相合熔點化合物的液固平衡體系，文獻11]居然沒有摘錄相合熔點化合物的數(shù)據(jù)，可能其摘錄的原始數(shù)據(jù)手冊中就沒有相關的數(shù)據(jù)，這更加說明苯酚■叔丁醇體系尚未被全面研究過。由實驗測定的苯酚■叔丁醇液固平衡相圖上讀取的相合熔點化合物的組成，可以計算得到這2個相合熔點化合物的組成為：相合熔點化合物I:苯酚與叔丁醇的摩爾比為1:2.07r1：2分子式：C6H5OH)[Ch3)3Coh]2相合熔點化合物II：苯酚與叔丁醇的摩爾比為2.01：1r2：1分子式：CHOH)[CH)COH]苯酚■叔丁醇之間沒有形成1：1的低共熔混合物或者相合熔點化合物，這可能與兩者的性質(zhì)差異較大有關。Sharma等12]研究表明，二元有機體系能否形成1：1的低共熔混合物，取決于兩者的固態(tài)密度是否接近。苯酚和叔丁醇的密度13]分別為1.5408g/cm3和0.7887g/cm3，兩者的固態(tài)密度相差很大，因此很難形成1：1的組合。綜上所述，苯酚■叔丁醇體系的液固平衡相圖是包含有3個低共熔點和2個相合熔點的復雜相圖，相圖測定方法簡單，試劑毒害性小，利用現(xiàn)有的成套實驗儀器經(jīng)過適當改造就可以進行測量，適合應用于基礎物理化學實驗教學中，對學生全面、生動地理解和掌握相平衡的相關概念有較大幫助。參考文獻References)復旦大學.物理化學實驗M].2版.北京：高等教育出版社，1993：55-61.北京大學化學學院物理化學實驗教學組.物理化學實驗M].4版.北京：北京大學出版社，20025759.羅士平.物理化學實驗M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2010：94-98.梁基謝夫Hn.金屬二元系相圖手冊M].郭青蔚，譯.北京：化學工業(yè)出版社，2009：263,279,286,1083.HalpernAM，McBaneGC.ExperimentalPhysicalChemistry：ALaboratoryTextbookM].3rd.EditionWHFreemanandCompa-ny，NewYork，2006.孫世剛.物理化學上)M].2版.廈門：廈門大學出版社，2013：326.328.天津大學物理化學教研室.物理化學上冊M.5版.北京高等： ] ：教育出版社，2010：259262.鄧景發(fā)，范康年.物理化學M].北京：高等教育出版社，1993：182184.傅獻彩，沈文霞，姚天揚，等.物理化學上冊)M].5版.北京：高等教育出版社，2011：302-305.10]FuJ，RiceJW，SuubergEM.PhaseBehaviorandCrystalStruc—tureofBinaryPolycyclicAromaticCompoundMixturesEB/OL].2012-94-27)[2013—)7-20].http：///books/advances—n-crystallization—)rocesses/phase—ehavior-and—crystal-structure-of-polycyclc-aromatc-compound-mxtures.印永嘉.物理化學簡明手冊M].北京：高等教育出版社，1988：172—174.SharmaS，KumarA，SinhgV.DependenceofEutectic-Composi—tiononDensitiesofComponentsofBinaryEutecticMixturesofSolidCarboxylicAcidsJ].IOSRJournalofAppliedChemistry，20123)：18-22.DavidRLideed.CRCHandbookofChemistryandPhysics，Inter—netVersion2005EB/OL].2013-07-20].http：//www.hbcpnet—ba.橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫橫上接第45頁)折射率隨溫度的變化。實驗結果表明，純凈水、清水、海水的折射率隨溫度的變化率都為1.55X10-4。。-1。在室溫19°C)下，海水的折射率為1.3391，清水和純