基于直角三角水槽的液體擴散系數(shù)測量方法

蘇錦偉，余承和，胡太然，趙 蕊，尤華杰，王嘉輝

(中山大學(xué) 物理學(xué)院物理實驗教學(xué)中心，廣東 廣州 510275)

擴散現(xiàn)象是指物質(zhì)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移直至均勻分布的熱弛豫過程，在生化醫(yī)材等領(lǐng)域都有著重要的研究價值[1-3]. 而擴散系數(shù)的測量對擴散過程研究至關(guān)重要. 液相的分子平均間距介于固體和氣體之間，其擴散的理論描述和觀測多比氣體和固體困難. 為了洞悉擴散過程，可視化無疑是一個十分有效的監(jiān)測手段.

科學(xué)家提出了多種測量液體擴散系數(shù)的方法. Wiener法用光束經(jīng)過擴散區(qū)的變形實現(xiàn)可視化，裝置簡單，但測量精度不高[4,5]. 等折射率薄層法將擴散槽視為柱透鏡，通過不同時刻某一折射率薄層沿細柱面透鏡軸向的清晰成像位置計算出擴散系數(shù). 該法雖實現(xiàn)可視化，但因景深和像散存在判讀誤差[6-9]. 膜池法通過擴散膜兩側(cè)擴散池在初始及穩(wěn)態(tài)時的濃度變化及膜池系數(shù)來計算待測液體擴散系數(shù)，該方法無法可視化，且膜池系數(shù)需用已知擴散系數(shù)溶液標定，會發(fā)生誤差傳遞[10,11]. 光干涉法將激光通過擴散區(qū)攜帶不同相位信息的光疊加干涉，通過干涉條紋的形變完成可視化和求得擴散系數(shù). 該法測量靈敏度高，但易受外界影響，對防震、防空氣擾動、防溫變、降噪等要求苛刻[12-16]. Taylor分散法將溶質(zhì)以微小脈沖的形式注入毛細管中的層流載體溶液中，通過測量出口的軸向濃度分布得到擴散系數(shù). 該法測量速度較快……