Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) icon

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос)





НазваниеУчебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос)
страница2/3
составитель
Дата конвертации28.03.2013
Размер0.88 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
загрузка...
1   2   3

Характеристики электромагнитного излучения λ (м), ν (Гц) длина волны и частота.




- магнитная постоянная

Классификация электромагнитных волн

Вектор Умова-Пойнтинга



Полная электромагнитная энергия.

Электрическая постоянная

Объёмная плотность энергии электромагнитных полей складывается из объёмных плотностей электрических wэл, wм и обозначают



;

причём

модуль плотности потока электромагнитной энергии (единица измерения Вт/м2)

В электромагнитных волнах и направлением движения и образуют правый винт. Вектор плотности потока энергии электромагнитных волн называется вектором Умова-Пойнтинга.

, - направлен в сторону распространения электромагнитных волн.

Отражение от ионосферы.

Ионосфера представляет плазменный слой, т.е. слой заряженных частиц, диэлектрическая проницаемость слоя

, ω=2πν – циклическая частота электромагнитной волны, падающей на ионосферу. ω0 - циклическая частота зависящая от концентрации электронов в ионосфере. Условие отражения электромагнитных волн с циклической частотой ω ε<0, т.е. ω<ω0

;

е=1,6*10-19 Кл – заряд электрона,

=9,1*10-31кг – масса электрона,

ε0 = 8,85*10-12 Ф/м – электрическая постоянная (старое наименование – диэлектрическая проницаемость вакуума);

Ne – концентрация заряженных частиц (1/м3)


3. Спектральный анализ.

Спектр – набор длин волн (частот) излучаемых телом.

Спектральный анализ – изучение основных закономерностей, наблюдаемых при излучении света различными веществами. Спектральные закономерности свечения тел тесно связаны с процессами, происходящими в атомах и молекулах. Существенные различия в характере свечения устанавливаются при изучении спектров светящихся тел. Рассмотрение спектрального анализа в дисциплине СММОС связано с тем, что спектры, т.е. наборы длин волн, излучаемых при нагревании, уникальны для различных веществ. Таким образом, спектральный анализ можно использовать для идентификации веществ, входящих, например, в пробу воздуха, воды или чего-либо еще.

Для получения спектров используется дифракционная решётка или (чаще) призма.

Явление дисперсии.

S – щель, SL - коллиматор , L1 – объектив коллиматора, L2MN – номера, L2 – объектив камеры, MN – стекло (спектроскоп) или фотопластинка (спектрограф).

Схема устройства спектроскопа.

S – в главной фокальной плоскости объектов, поэтому после него параллельный пучок. Такие призмы – несколько параллельных пучков под разными углами, которые формируются в разных точках плоскости MN (фокальная плоскость объектива L2 – камера).Изображения щели будут распределятся по пластине M. Если в MN – фотопластинка, то спектрограф, если стекло и глаз то спектроскоп.

Призма из материалов с большой дисперсией : 1. стекло, 2. кварц, 3. для работы в области ИК или УФ спектра – каменная соль.

Подробнее о типах.

Типы спектров испускания.

Свет от солнца, лампы, свечи – непрерывная разноцветная полоса- сплошной спектр или непрерывный.

Иной вид спектра имеют светящиеся газы, например пары ртути. Спектр паров ртути – отдельные линии – линейчатый спектр. Каждая линия по существу узкий спектральный интервал, охватывающий некоторый набор длин волн, но интервал этот так узок, что его можно считать, соответствующим одной длине волны.

При наблюдении спектров газов иногда наблюдаются спектры, состоящие из отдельных полос, разделённых тёмными промежутками. Некоторые из этих полос оказываются состоящими из большого числа отдельных линий. Такие спектры называются полосатыми. Полосатые спектры дают, например, пары йода.

Происхождение спектров различных типов.

Тип спектра определяется характером светящегося объекта.

Сплошные спектры результат свечения твёрдых или жидких тел, газов высокой плотности. В электрической лампе светится раскалённая металлическая нить и т.п. Солнце – светятся газы высокой плотности.

Линейчатые и полосатые спектры характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Многие газы состоят из отдельных атомов. Например, пары металлов, инертных газов. Если газы H2 ,O2,N2 при возбуждении распадутся (диссоциируют), то атомарные газы дадут линейчатый спектр. Молекулы газов дают полосатый спектр. При возбуждении много атомных газов или паров нередко происходит частичная диссоциация, и наблюдается одновременно и линейчатый спектр и полосатый спектр.

Свечение атомов в парах и газах можно вызвать простым нагреванием. Например, если NaCl – в спиртовку, пламя станет жёлтым из-за свечения Na

NaCl →Na + Cl.


Спектральные закономерности.

Линейчатые спектры атомов представляют собой совокупность большого числа линий, разбросанных по всему спектру без видимого порядка. Однако внимательное изучение спектров показало, что расположение линий следует определённым закономерностям. Яснее всего эти закономерности выступают на сравнительно простых спектрах, характеризующих простые атомы. Впервые такие закономерности были установлены для спектра простейшего атома – водорода. В 1885 году Бальмер (1825-1898гг) швейцарский физик – учитель средней школы – установил, что частоты отдельных линий водорода выражаются простой формулой.

Серия Бальмера:

,

где 2 – номер серии, n = 3,4,5….∞ – номера линий;

R = 3,28787*1015 (1/сек);

R' = R/c=1,10*107 -1); R, R' – постоянная Ридберга

В дальнейшем результаты были обобщены на другие серии излучений атома водорода.

Для H – атома водорода – спектр излучения может быть описан обобщённой формулой Бальмера.

, m = 1,2,3,4,… – номер серии; n = m+1… – номер линии;

R = 3,28787*1015 1/с - постоянная Ридберга.

Сериям присвоены имена ученых, экспериментально изучивших их. Имена первых шести серий:

m=1 – Лаймана;

m=2 – Бальмера;

m=3 – Пашен;

m=4 – Брекет;

m=5 – Пфунд;

m=6 – Хэмфри .

Для водородоподобных систем, например, Не+, Li++ спектральные закономерности описываются формулой:

,

z – порядковый номер в таблице Менделеева.


Рентгеновские спектры.

В 1985 году немецкий физик Рентген (1845-1923гг) открыл излучение, впоследствии названное рентгеновским. Наиболее распространённым источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическую мишень из тяжёлого металла W, Pt), Электроны испытывают на аноде торможение, при этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитную волну с λ ~ 10-12 –10-8м.

Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что спектр имеет сложную структуру и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода.

Спектр рентгеновского излучения представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких волн границей λmin, называющейся границей сплошного спектра, и линейчатого спектра – совокупности отдельных линий на фоне сплошного спектра.

Исследования рентгеновского излучения показали, что сплошной спектр излучается в результате торможения электронов атомами мишени. Поэтому сплошной спектр рентгеновского излучения называют тормозным спектром и

;

h= 6.62*10-34 Дж*с – постоянная Планка;

с=3*108 м/сек – скорость света в вакууме;

е=1,6*10-19 Кл – заряд электрона;

[В] – ускоряющее напряжение на аноде.

Линейчатый спектр определяется материалом анода и называется характеристическим спектром.

Исследуя рентгеновские спектры элементов английский физик Мозли установил соотношение, названное законом Мозли

;

ν – частота, соответствующая данной линии характеристического рентгеновского излучения; - Постоянная Ридберга; - атомный номер элемента; σ – постоянная экранирования; m = 1,2,3,… определяет рентгеновскую серию, n=m+1,… определяет отдельную линию.

Для Kα – линии σ=1, m=1, n=2. K,L,M,N – серии; α,β,γ – индексы для линий m= m +1, m +2, m + 3 m + 4,…

Kα → m=1, n=2.


Взаимодействие излучения и вещества.

При взаимодействии излучения и вещества иногда происходит смещение частот

νr=ν+ νi - называется стоксовой компонентой

νp=ν- νi - антистоксова компонента (в честь Стокса, который первым объяснил этот эффект).

νi – частота элекромагнитных колебаний молекулы вещества

ν - частота электромагнитной волны, облучающей вещество

νp – результирующая частота.

4. Радиоактивное загрязнение биосферы.

Радиоактивность – превращения неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающиеся испусканием некоторых частиц.

Различие естественной и искусственной радиоактивности: естественная радиоактивность наблюдается у существующих в природе источников, искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученная в результате ядерных реакций.

Виды радиоактивности.

  1. α-распад – ядро испускает α-частицу (2p+2n) – - ядро гелия;

  2. β-распад – ядро испускает электрон β и позитрон β+;

  3. спонтанное деление ядра на два осколка, имеющие приблизительно одинаковую массу и заряд.

Обычно все виды радиоактивности сопровождаются испусканием жёсткого γ-излучения (фотоны). Ядро, распадающееся называется материнским, ядра возникающие – дочерние. α-излучение задерживается, например листом бумаги, оно не способно проникнуть сквозь кожу. Представляет опасность попадание ядер, испускаемых α-частицы внутрь с пищей, с воздухом и т.п.

β –излучение обладает большой проницающей способностью. Оно способно проникать в ткани организма на глубину1-2 см.

γ-излучение имеет очень большую проникающую способность. Его может задержать толстая свинцовая или бетонная плита.

Закон радиоактивного распада.

Активность радиоактивного вещества.

Скорость ядерных процессов изменяется в очень больших пределах – от нескольких долей секунды до млрд лет.

Математическое описание процесса связывает скорость распада с количеством радиоактивных (нераспавшихся) ядер.

;

λ – постоянная распада, измеряемая в 1/с.

Если в начальный момент (t=0) было N0 радиоактивных ядер, то в момент t их будет N

;

Пусть за T – период полураспада – - т.е. число ядер сократиться вдвое.

;

;

.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: T (с) – период полураспада и среднее время жизни радиоактивного ядра τср .

- время, в течении которого число не распавшихся ядер уменьшится в “е=2,72” раз.

Активность радиоактивного вещества.

Скорость распада, т.е. число распавшихся частиц в единицу времени называется активностью радиоактивного вещества

Единица активности в спектре Беккерель один распад в одну секунду

1Бк = 1 (1/с). Внесистемная единица Кюри 1Ки = 3,7*1010 Бк. По известной активности А0 радионуклида можно рассчитать его массу.

, где (1/с), μ (моль), NA =6,02*1023 (г/моль)

, где MA – атомная масса, A0 – активность в Бк или Ки

и= 2,4*10-24 0 – в Бк) = 1/0,693*NA

к=8,88*10-14 0 – в Ки) = 3,7*1010*/0,693*NA , если МА =μ (малярная масса тела)

При радиоактивном распаде действуют законы:

1. ЗСЭ (Закон сохранения энергии)

2. Правило сохранения массового числа А0=Бк (1/с)

3. Правило смещения

- α-распад, - β-распад.

Взаимодействие ионизирующего излучения с живыми организмами и веществом.

Мерой действия ионизирующего излучения в среде является поглощенная доза излучения

; где ΔW- энергия ионизируещего излучения, переданная облучённому веществу, масса которого Δm. (1Гр(Грей) = 1Дж/1кг)

Мощность дозы излучения, величина равная отношению дозы излучения ко времени излучения.

Экспозиционная доза излучения - физическая величина, равная отношению суммы электрического заряда одного знака, созданных электронами, освобождёнными в облучённом воздухе (при условии полного использования ионизирующей способностью электронов.

5. Акустическое загрязнение окружающей среды.

Звуковыми или акустическими волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами

16-2000 Гц:

ν<16Гц – инфразвук,

16≤ ν≤20000 Гц - звук,

ν>20 кГц – ультразвук.

В газах – продольные волны. В твёрдых телах могут быть и поперечные характеристики звука:

1. скорость,

2. звуковое давление,

3. интенсивность звука,

4. спектральный состав.

Скорость в воздухе – 331 м/с при 00 С, 1Атм., жидкость 1500 м/с, твёрдое тело приблизительно 6000 м/с

с – скорость звука (m/с), λ – длина волны (m), Т – период, ν –частота (1/с), ν=1/Т; с= λ/Т= λν; λ=с/ν.

Интенсивность звука называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимо звуковыми волнами в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярно направленную распространению волны (вТ/м2 ); W – энергия (Дж); S (м2); t (сек). Громкость звука зависит от ν.

LI = lg(I/I0); I0=10-12 - (вт/м2)

LI – уровень интенсивности звука, изменяется в Белах (в честь изобретателя Бэлла) 1Б = lg (10I0/I0) =1; I0 - (вт/м2); 1дБ = 0,1Б; LдБ = 10lg(I/I0)

Ещё одна характеристика громкости звука.

Уровень звукового давления в фонах: Lp = lg(∆P/(∆P0); ∆P0 = 2*10-5 (H/м)

LI = 20Lp = 20lg(∆P/(∆P0).

Также как и свет звук характеризуется спектром. Спектр может быть линейчатым, сплошным.

Ослабления звука с расстояния6 W – (Вт).

Рассмотрим две сферы:

W1 = I1*4πr12; I1 = W/4πr12;

W2 = I2*4πr22; I2 = W/4πr22;

W – мощность источника (вт);

I1*4πr12 = I2*4πr22; I1/ I2= r22/r12.

Эффект Доплера.

1. Если источник и приемник перемещаются друг относительно друга, то частота, воспринимаемая прниемником не совпадает с частотой, излучаемой передатчиком.

; верхний знак, если сближение; нижний знак, если удаление.

2. Vпр>0, Vист = 0; ; 3. Vпр=0, Vист > 0; ;

ν0 – частота колебаний источника, ν0=с/λ.

Экологическая система и структура биосферы.


Живые организмы совместно со средой их обитания составляют единые жизненные системы. Экологическая система – совокупность совместно обитающих различных организмов и условия их существования, взаимосвязанных друг с другом взаимодействиями:

а) вещественными,

б)энергетическими,

в) информационными.

Экологическая система по своим масштабам ранжируется от первого глобального уровня до пятого микроуровня.

I уровень – биосфера;

II уровень – биогеоциноз;

III уровень - сообщество + биотоп;

IV уровень – популяция + стадия;

V уровень – организм + место обитания.

Биосфера – экологическая система глобального уровня представляет собой часть твёрдой, водной и газовой оболочки Земли, в которой обитают живые организмы.

Вернадский В.И. внёс большой вклад в учение о биосфере. Он выделил в биосфере три компоненты:

  1. атмосферу – газовую оболочку;

  2. гидросферу –водная оболочка;

  3. литоосфера – твёрдая оболочка.

Биосфера – результат взаимодействия среды и организмов в прошлом, настоящим и будущем. Ноосфера – информационная оболочка Земли. Это подчёркивал Вернадский В.И.

Всю совокупность живых организмов Вернадский В.И. обозначал термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, т.е. геологического образования, не входящий в состав живых организмов и не созданные ими.

Биокосное вещество– вещество полученное в результате взаимодействия живого и косного вещества (океанская вода, нефть, почва и т.п.).

Биогенное вещество – геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняк, каменный уголь и т.п.).

Биогеоценоз – участие биосферы с однородными природными условиями:

1) атмосферы,

2) горной породы,

3) гидрологических условий,

4) растительности,

5) растительности,

6) животного мира,

7)почвы.

Например моря, реки, озёра, пруды, тундра, лес и т. п.

Сообщество – биоценоз- сравнительно мелкие, взаимодействующие между собой группы растений и животных. Среда обитания сообщества – биотоп. Например, конкретный лес пруд болото и т.п.


ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ


Студентам необходимо выполнить контрольную работу по данной дисциплине.

Контрольная работа по дисциплине “Современные методы мониторинга окружающей среды” состоит из 6 у задач:

Задача 1 – спектральные методы в мониторинге природных сред.

Задача 2 – электромагнитное загрязнение окружающей среды.

Задача 3 – радиационное загрязнение биосферы.

Задача 4 – акустическое загрязнение окружающей среды.

Задача 5 – химической загрязнение окружающей среды.

Задача 6 – воздействие загрязняющих веществ (ионов металлов) на человека и животных (абсорбция, распределение и токсичность ионов металлов).

Номера задач в контрольной работе выбираются по последней цифре шифра студента.

Ниже приведена таблица, в которой указаны номера задач вариантов с 1 по 0.

Таблица 1

№ варианта(последняя цифра шифра)



















1

11

21

31

41

51

61

2

12

22

32

42

52

62

3

13

23

33

43

53

63

4

14

24

34

44

54

64

5

15

25

35

45

55

65

6

16

26

36

46

56

66

7

17

27

37

47

57

67

8

18

28

38

48

58

68

9

19

29

39

49

59

69

0

10

20

30

40

50

60



Решение задач контрольной работы и ответы на теоретические вопросы должны быть коротко, но четко обоснованы. При решении задач нужно приводить весь ход решения и математические преобразования.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена, написана четко и ясно, иметь поля для замечаний рецензен­та. Номера и условия задач необходимо переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании. В начале работы следует указать учебный шифр студента, номер варианта и полный список номеров задач этого варианта. В конце работы следует дать список использованной литера­туры с указанием года издания.

Работа должна иметь подпись студента и дату.

Если контрольная работа не зачтена, ее следует выпол­нить повторно в соответствии с указаниями рецензента и представить вместе с незачтенной работой. Исправления следует выполнять в конце работы, после рецензии, а не в тексте.

Контрольная работа, выполненная не по своему вариату, преподавателем не рецензируется и не считается зачтенной.

Номера задач в контрольной работе выбираются по последней цифре шифра студента.

При оформлении работы условие задачи должно быть воспроизведено полностью без сокращений, каждая задача оформляется на отдельном листе, каждое задание должно содержать подробное объяснение, в конце работы необходимо привести список использованной литературы.

В помощь студентам для выполнения контрольной работы предлагается краткая теория по тематике задач и примеры решения подобных задач.

Например:

Задача №1. Спектральные методы в мониторинге природных сред.


Краткая теория


1. Обобщенная формула Бальмера, описывающая серии спектра водорода

,

где л – длина волны спектральных линий в спектре атома водорода;

R – постоянная Ридберга;

m – определяет серию, n определяет отдельные линии соответствующей линии.

m=1,n = 2,3,4,… серия Лаймана;

m=2, n= 3,4,5,… серия Бальмера;

m= 3, n= 4,5,6,…серия Пашена;

m= 4 , n= 5,6,7,… серия Брэккета.

2. Закон Мозли утверждает, что корень квадратный из частоты характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента и его атомный номер Z связаны линейной зависимостью. Это дает возможность определить порядковый номер Z неизвестного элемента, если известна частота изучения для К-серии:

,

где Z – порядковый номер элемента, из которого сделан антикатод;

b – постоянная экранирования;

k и n – номера электронных орбит;

R =1,097 • 107 1/м – постоянная Ридберга.

В рентгеновских спектрах серия К – самая коротковолновая, ей соответствуют переходы между орбитами с квантовыми числами n=2 и k=1. Следующие в сторону более длинных волн – серии L, М и N серии наблюдается у тяжелых элементов.

3. Энергия кванта света, излучаемого атомом водорода при переходе с одной орбиты на другую:

е = Еi (1/m2 -1/n2),

где Е i - энергия ионизации атома водорода,

Е i = 13,6 эВ,

m и n - номера орбит.

Энергия ионизации, выраженная в эВ, численно равна потенциалу ионизации, выраженному в В. Потенциалом ионизации называется ускоряющая разность потенциалов, которую должен пройти бомбардирующий электрон, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома.

4. Формула частоты комбинационного рассеяния

 = 0,

где 0 – частота источника возбуждения;

 - частота молекулярных колебаний;

+ - относится к антистоксовой компоненте;

– - относится к стоксовой компоненте.

1   2   3

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Современные международные отношения» по подготовке специалиста по связям с общественностью по направлению специальности

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по дисциплине «Экология»
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин специальности и является обязательной...

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по дисциплине «профессиональный стресс и современные технологии стресс-менеджмента»

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Территориальная организация населения Специальность: 080504. 65 «Государственное и муниципальное управление» 2 курс
Учебно-методический комплекс по дисциплине: Территориальная организация населения

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс Дисциплина «Современные проблемы экологии и природопользования» Блок дисциплин б1

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconКонспект лекций по учебной дисциплине “ Методы и средства защиты окружающей среды от энергетических воздействий” Томск 2009 г

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс Для специальности : 080504 Государственное и муниципальное управление Москва, 2008
Учебно-методический комплекс Психофизиология профессиональной деятельности пригодности персонала составлен в соответствии с требованиями...

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Математические методы психологии»

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по дисциплине

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные методы мониторинга окружающей среды» (сммос) iconУчебно-методический комплекс по дисциплине “ Нейрофармакология”

Разместите кнопку на своём сайте:
Учеба
загрузка...


База данных защищена авторским правом ©ucheba 2000-2013
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Studentick.com