CC BY
65
УДК 539.219.1
В.И. Букатый, П.И. Нестерюк Исследование оптических неоднородностей в дважды дистиллированной воде оптическим методом малых углов рассеяния и методом флюктуаций прозрачности
V.I. Bukaty, P.I. Nesteryuk
Research on Optical Heterogeneity in Doubly Distilled Water Based on Optical Narrow Angles and Transparency Fluctuation Methods
Приведены результаты экспериментов по определению функции распределения по размерам оптических неоднородностей (кластеров) в дважды дистиллированной воде методом малых углов рассеяния и их среднего размера и концентрации методом флюктуаций прозрачности. Эксперименты показали наличие в воде спектра размеров оптических неоднородностей в диапазоне (1,5-6,0) мкм, при этом среднеарифметический радиус составил 2,3 мкм, среднеквадратичный - 2,5 мкм. Среднестатистический радиус оптических неоднородностей в этой же воде, определенный методом флюктуаций прозрачности, -2,6 мкм при средней концентрации 2,5-106 см-3.
Ключевые слова.: кластер, вода, оптический метод малых углов, метод флюктуаций.
The article presents findings aimed to determine function of distributing optical heterogeneity (clusters) on sizes in doubly distilled water by narrow scattering angles method and their average sizes and concentration studied by transparency fluctuation method. The experiments showed the cluster size spectrum presented in the water within the range of (1.5-6.0) micron, when the average radius was 2.3 micron, the mean-squared radius reached 2.5 micron. Average radius of the optical heterogeneities in the same water determined by the transparency fluctuation method was 2.6 micron with 2,5-106 cm-3 of average concentration.
Key words: cluster, water, optical narrow angles method, fluctuation method.
Введение. Известным фактом являются хорошо изученные аномалии воды, проявляющиеся в немонотонной зависимости многих ее физических свойств от температуры (теплоемкость, плотность, сжимаемость) и давления (коэффициент диффузии, вязкость). Большинство исследователей полагают, что аномальные свойства воды обусловлены наличием водородных связей между молекулами и особенностью ее структуры, понимая под этим конкретное расположение атомов и молекул [1]. Структуре жидкой воды посвящено большое количество работ, обзор которых приведен в [1, 2]. В большинстве теорий (структурных дефектов Самойлова, структур Бернала-Флауера, «гидратов» Полинга, мерцающих кластеров Франка и Вена и др.), рассмотренных в [3-5], признается наличие агрегатов (кластеров) в воде. В данных работах структура воды рассматривается в виде молекулярных кластеров нанометровых размеров и временем жизни (релаксации) менее 10-11-10-12 с. Однако в экспериментальных работах [6-10] оптическими методами в очищенной воде обнаружены оптические неоднородности (иногда их называют кластерами) значи-
тельно большего размера ~ (10-6-10-4) м и временем жизни несколько секунд. В то же время полученные в [6-10] опытные данные по структуре воды заметно отличаются друг от друга, аппаратурная реализация и методики измерений не обеспечивают достаточно высокого временного разрешения, что требует проведения дальнейших исследований. Цель работы - экспериментальное определение функции распределения оптических неоднородностей в дважды дистиллированной воде методом малых углов, а также их среднего размера и средней концентрации методом флюктуаций прозрачности.
При рассмотрении теоретических основ метода малых углов рассеяния и метода флюктуаций прозрачности будем называть оптическую неоднородность просто частицей, что является общепринятым термином в оптике дисперсных сред.
Метод малых углов. В основе данного метода, предложенного К.С. Шифриным [11], лежит экспериментальное определение индикатрисы рассеяния света под малыми углами, содержащей информацию о размере частиц, на которых происходит рассеяние. В [12] показано, что если параллельный пу-
чок света с длиной волны X рассеивается совокупностью взвешенных в однородной среде частиц одинакового радиуса г, то зависимость светового потока /(в), рассеянного на одной частице от угла рассеяния в, выражается соотношением:
I (в) = I (
J,(PP)
в2
(1)
где /0 - интенсивность пучка света, падающего на частицу; - функция Бесселя первого порядка;
2пг
р =-----. Применительно к нашему случаю, когда
Я
свет распространяется в воде при наличии частиц (гидрозолей) X = Х0/п, где Х0 - длина волны в вакууме, а п - показатель преломления воды.
Соотношение (1) справедливо при в << 1 и р >> 1. Пусть пучок света проходит через слой различных по размеру частиц с функцией распределения частиц по размерам /(г). В этом случае рассеянный световой поток выражается следующим соотношением:
I(в) = вОТ j f (r)r2 j2i(PP)dr .
в О
(2)
В [11] была решена задача обращения интегрального уравнения (2) с целью нахождения функции распределения частиц по размерам /(г). Окончательно, следуя работе [12], запишем
(3)
где ¥(р, в) = рвл(рв) М(рв); М(рв) - функция Неймана первого порядка; <р(в) = -й- Г/ (в)р3 ];
р л
С - нормировочная постоянная.
Таблицы функции -Р(рв) приведены в работе [12]. Таким образом, соотношение (3) дает возможность определения спектра размеров частиц по экспериментально найденной зависимости рассеянного светового потока /(в) от угла рассеяния в.
Среди трудностей, связанных с реализацией метода малых углов, в первую очередь надо отметить невозможность получения в эксперименте той полной информации, которая нужна для решения обратной задачи. Так, из формулы (3) видно, что теоретически для расчета /(г) мы должны иметь зависимость светового потока /(в) для всех в, начиная от нуля до бесконечности. В действительности углы рассеяния в, для которых возможны измерения /(в), ограничены как снизу - некоторым втт, так и сверху - втах. Границы существенной области углов рассеяния в, в которых необходимо измерить /(в), чтобы восстановить /(г) с заданной точностью, зависят от искомого спектра частиц.
Для экспериментальной реализации метода нами был создан измерительно-вычислительный комплекс для определения рассеянного светового потока /(в) в области малых углов в. Принципиальная схема представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема измерительно-вычислительного комплекса
В качестве источника излучения (1) использовался He-Ne лазер с длиной волны X = 632,8 нм и мощностью ~ 20 мВт. Диаметр выходного лазерного пучка составлял 3 мм. Регистрация I(fi) производилась с помощью фотодиодной линейки ФУК1Л1 (7), сигнал с которой поступал на ЭВМ и обрабатывался с помощью специальной программы, разработанной в среде Lab Wiew. Временное разрешение лабораторного комплекса не превышало 0,1 с. Измерения рассеянного света производились в фокальной плоскости приемной линзы (5) с фокусным расстоянием,
равным 32 см. Для предотвращения попадания прямого пучка на фотодиодную линейку он экранировался темным непрозрачным экраном (6) размером 2,1 мм, что обеспечивало регистрацию рассеянного света под углами, начиная с минимального угла рассеяния в = 14'. Максимальный угол рассеяния в, регистрируемый с помощью лабораторного комплекса, составлял 5°. В этом случае, как следует из анализа погрешностей данного метода, приведенного в работах [11, 12], учитывая параметры нашего измерительно-вычислительного комплекса, ошибка измере-
ний находится в пределах (10-15)%. Цифрами 2 и 3 на рисунке отмечены диафрагмы, которые отсекают паразитное рассеяние оптического тракта гелий-неонового лазера. Объектом исследования служила бидистиллированная вода, которая размещалась в кювете (4) длиной 30 мм.
Типичная экспериментальная зависимость рассеянного светового потока /(в) от угла рассеяния приведена на рисунке 2, на котором сплошной линией представлена аппроксимирующая функция.
Рис. 2. Угловое распределение рассеянного светового потока
Типичные функции распределения для двух случаев приведены на рисунке 3. В первом случае измерения проводились с дважды дистиллированной водой без воздействия на нее внешнего магнитного поля, во втором - после воздействия на нее в течение 30 минут постоянным магнитным полем с магнитной индукцией 1,5 Тл. Видно, что после воздействия число частиц заметно уменьшилось. Причины этого изменения нам не известны, хотя в [9] упоминается только о форме частиц, отличающейся от
сферической, при действии на воду магнитного поля. Таким образом, измерения функции распределения частиц показали наличие в воде без воздействия постоянного магнитного поля спектра размеров оптических неоднородностей (кластеров) в диапазоне (1,5-6,0) мкм, при этом среднеарифметический радиус составил 2,3 мкм, среднеквадратичный -
2.5 мкм. Для случая воздействия постоянного магнитного поля среднеарифметический радиус -
2.5 мкм, а среднеквадратичный - 2,8 мкм.
Рис. 3. Функции распределения частиц по размерам
Метод флюктуаций прозрачности. Теория и расчетные соотношения данного метода приведены в [13]. Суть метода заключается в том, что по измерениям прозрачности дисперсной среды и флюктуаций прозрачности можно определить как средний размер, так и концентрацию частиц. Флюктуации прозрачности обусловлены случайным перемещением частиц в исследуемой среде, при этом частицы по-разному перекрывают друг друга. Для построения теоретической модели принимается, что дисперсная среда состоит из одинаковых частиц сферической формы и ослабление интенсивности параллельного падающего пучка с интенсивностью /0 обусловлено только наличием частиц в освещенном объеме.
Для решения задачи мысленно спроектируем поперечники ослабления частиц, присутствующих в освещенном объеме, на поперечное сечение £ светового пучка. Пусть У - площадь пучка, свободная от проекций частиц, тогда интенсивность света /, прошедшего через дисперсную среду, можно записать в виде: / = /0/£. Определив среднее значение дисперсии случайной величины У, можно найти среднее значение интенсивности / и ее дисперсию Б.
Таким образом, статистическая модель явления сводится к задаче о случайном бросании кругов на плоскую область. Задача решается с помощью теоремы Г. Роббинса, вытекающей из общих свойств условных математических ожиданий, определенных А.Н. Колмогоровым. Опуская математические выкладки, проделанные в [13], приведем окончательные выражения, которые позволяют определить средний поперечник ослабления света частицей 50 и концентрацию частиц п через среднюю интенсивность прошедшего пучка / , дисперсию сигнала Б и площадь сечения пучка £
*0 = ( /12 )[>/р(г)]; ї = т/ (/*0); т = - 1п (/ /10),
(4)
кон-
где т - оптическая толщина дисперсной среды; ф(т) - специальная функция, приведенная в [13]; I - длина пути света в среде.
Принципиальная схема установки для реализации метода флюктуаций прозрачности отличается от приведенной на рисунке 1 тем, что вместо Ие-№-лазера используется полупроводниковый лазер с длиной
волны излучения 0,64 мкм, с питанием от аккумуляторов для обеспечения стабильности излучения. А вместо непрозрачного экрана (6) ставится экранирующая диафрагма с диаметром отверстия 1,5 мм.
Погрешность метода флюктуаций прозрачности в наших экспериментах не превышала 20%.
Были проведены четыре серии измерений прозрачности, в каждой серии регистрировались 10 значений прозрачности с интервалом в 5 с. Приведем расчет среднего значения 50 в соответствии с (4). Используя вычисленные средние значения величин, входящих в (4), а именно Б / /0 = 2,5 -10-6, т = 0,9, ф(т) = 0,16, £ = 1,8 мм2, получаем 50 = 2,5-10-5 мм2. Так как в нашем случае р >> 1, можно записать
50 = 2пг°, откуда г = ./ = 2,0 мкм. Средняя
\ 2п
центрация при вышеуказанных средних значениях т, 50, и I = 30 мм оказалась равной п = 1,2-106 см3.
Выводы. Эксперименты по изучению светорассеяния при прохождении низкоинтенсивного лазерного излучения через дважды дистиллированную воду с использованием апробированных методов малых углов и флюктуаций прозрачности показали в ней наличие оптических неоднородностей (кластеров) микронного масштаба. Оба метода дают практически одинаковые данные о средних размерах частиц. Необходимо отметить, что в ранее проведенных другими авторами экспериментах по определению кластеров в воде приведены противоречивые результаты. В работах [6, 7, 9] утверждается, что обнаруженные в воде неоднородности являются скоплением молекул Н20, находящихся в жидкой фазе, и поэтому считаются оптически более плотными образованиями, чем окружающая «объемная» вода. В то же время экспериментальные результаты работ [8, 10] косвенно подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о наличии микропузырьковых газовых кластеров в жидкости, возникающих при коагуляции микропузырьков (бабстонов). В вышеуказанных случаях найденные неоднородности (кластеры) также имеют микронные размеры. Действительно, все указанные в [6-10] оптические методы по обнаружению кластеров в воде дают информацию только о их размерах и концентрации, в то же время используя только приведенные оптические методы, нельзя получить данные о фазовом составе найденных оптических неоднородностей.
Библиографический список
1. Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды // Журнал структурной химии. - 2006. - Т. 47.
2. Саркисов Г.Н. Структурные модели воды // Успехи физических наук. - 2006. - Т. 176, №8.
3. Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.С. Осно-
вы физики воды. - Киев, 1991.
4. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. - М., 1998.
5. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. - Л., 1975.
6. Смирнов А.Н., Лапшин В.Б., Балышев А.В., Лебедев И.М., Гончарук В.В., Сыроешкин А.В. Структура
воды: гигантские гетерофазные кластеры воды // Химия и технология воды. - 2005. - Т. 27, №2.
7. Гончарук В.В., Орехова Е.Л., Маляренко В.В. Влияние температуры на кластеры воды // Химия и технология воды. - 2008. - Т. 30, №2.
8. Бункин Н.Ф., Лобеев А.В. Фрактальная структура бабстонных кластеров в воде и водных растворов электролитов // Письма в ЖЭТФ. - 1993. - Т. 58, вып. 2.
9. Коваленко В.Ф., Левченко П.Г., Шутов С.В. Кластерная природа светорассеяния воды // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2008. - №5.
10. Бункин Н.Ф., Суязов Н.В., Ципенюк Д.Ю. Малоугловое рассеяние лазерного излучения на стабильных образованиях микронного масштаба в дважды дистиллированной воде // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, №2.
11. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. -М., 1951.
12. Байвель Л.П., Сагунов А.С. Измерение и контроль дисперсности частиц методом светорассеяния под малыми углами. - М., 1977.
13. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. - Л., 1983.
