khimie.ru

Отсутствие упорядоченного расположения структурных блоков в стеклах наиболее заметно отражается на плотности и показателе преломления, которые могут меняться в пределах даже одного образца. Понятие плотности не нуждается в особых разъяснениях: эта масса единицы объема тела. Другой параметр-показатель преломления — есть смысл охарактеризовать более подробно.

Выберем кусочек стекла, в объеме которого имеется пузырек воздуха. Это сделать нетрудно, пузырьки воздуха в прозрачном стекле хорошо видны. Поместив такой кусочек стекла в стакан с водой, мы увидим, как четко обозначились поверхности раздела вода-стекло и стекло-воздух (во внутреннем пузырьке). Это произошло потому, что световой луч при переходе из одной среды в другую меняет свое направление и скорость распространения, то есть прелом­ляется. Показатель преломления характеризуется отношением скоростей распространения света в воздухе или в вакууме и в данном веществе. Согласно другому определению, показатель преломления — это отношение синуса угла b (угла падения) луча в одной среде к синусу угла t (угла преломления) луча в другой среде (рис. 1). 

 Рис. 1. Ход светового луча на границе раздела двух сред.

Физический метод измерения показателя преломления основан на определении синусов углов, потому что углы, образованные лучом света с линией границы между средами, измерить значительно проще, чем скорости распространения света.

Конечно, осколки разбитого стекла могут быть настолько малы, что найти на них поверхность, удобную для измерения показателя преломления бывает очень трудно. Вот почему на практике показатель преломления определяют иммерсионным методом, суть которого заключается в следующем. Если два вещества отличаются между собой по величине показателя преломления, то граница раздела между ними выражена довольно резко. Напротив, если показатели преломления двух веществ одинаковы, линия раздела между ними исчезает. В этом и заключается суть иммерсионного метода. Осколок стекла помещают в различные жидкости с разными показателями преломления. Как только величины показателей преломления исследуемого образца и жидкости совпадают, граница раздела двух сред становится невидимой.

Для серийных измерений, требующих высокой точности, используется термоиммерсионный метод. Он основан на том, что, хотя при повышении температуры показатели преломления всех веществ изменяются, у жидкостей этот параметр приблизительно в 100 раз более чувствителен к изменению температуры, чем у стекол. Вот как проводится определение. Осколок стекла (образец) помещают на предметное стекло и добавляют каплю жидкости с показателем преломления чуть более высоким, чем у исследуемого образца. С помощью специальных термоэлементов, встроенных в предметный столик микроскопа, жидкость с образцом на предметном стекле подогревается до того момента, когда показатели преломления жидкости и образца становятся одинаковыми (исчезает граница раздела образец-жидкость) и отмечают соответствующую температуру. Зная состав иммерсионной жидкости и температуру исчезновения границ раздела, можно определить показатель преломления.

В своей практической работе эксперту довольно редко приходится определять абсолютные значения этого оптического параметра, так как обычно ему надо дать ответ на вопрос, от какого стекла откололся данный осколок, взятый в качестве вещественного доказательства? Поэтому чаще всего эксперт прибегает к сравнительному анализу: он помещает два осколка стекла в одну и ту же иммерсионную жидкость и очень внимательно следит, одновременно ли исчезают границы раздела исследуемых образцов и жидкости. При таком способе анализа отпадает необходимость точно регистрировать температуру жидкости, находить по графикам абсолютные значения показателя преломления и учитывать некоторые поправки. Кроме того, при сравнительном анализе увеличивается надежность оценки однородности различных образцов.

Для большинства образцов стекол значения показателя преломления изменяются в пределах от 1,48 до 1,59. Интервал, как мы видим, довольно мал, однако если определять этот параметр с точностью не до второго, а, скажем, до шестого знака, то набор различаемых образцов можно значительно расширить. С какой же точностью целесообразно определять показатель преломления в криминалистических лабораториях? Поскольку готового рецепта на все случаи дать невозможно, обратимся к некоторым конкретным примерам.

Представим себе, что при сравнении двух осколков оконного стекла мы замечаем, что показатели преломления различаются между собой в четвертом знаке. В таком случае уточнять значения последующих знаков уже не имеет смысла. Интересные данные можно почерпнуть из отчетов Скотленд-ярда. Было выполнено очень подробное исследование стек­лянных изделий, изготовленных на заводах Англии и Ирландии по традиционным технологическим схемам. Установлено, что показатели преломления оконных стекол различались лишь в четвертом или даже пятом знаке после запятой.

В США также опубликованы данные ФБР с результатами подобных исследований. Оказалось, что после перехода на более современные технологические процессы различия по некоторым оптическим характеристикам отдельных образцов оконных стекол, выпускаемых в США, уменьшились в 10 раз. Так различия в показателях преломления для безопасных автомобильных стекол, включая и многослойные ветровые стекла, проявляются только в пятом-шестом знаках после запятой.

Различия между отдельными образцами стекол можно более надежно выявить с помощью так называемого дисперсионного иммерсионного метода, основанного на том, что показатели преломления жидкостей увеличиваются с уменьшением длины световой волны. Как мы помним, именно этот принцип используется при получении монохроматического излучения в спектрофотометрах, где специально отполированная призма, помещенная в монохроматор, разлагает белый свет на различные цветовые компоненты. Определение дисперсии показатели преломления проводят в трех диапазонах спектра: с излучением синего, желтого и красного цветов. Если определение показателей преломления двух осколков стекол с применением излучения всех трех цветов не выявляет различий в оптических свойствах, предположение об однородности исследуемых стекол получает дополнительное подтверждение.

Согласно теоретическим представлениям, у стекол, близких по составу и структуре, между показателем преломления и плотностью существует достаточно строгая зависимость. Однако это правило справедливо только для идеальных стекол, то есть для стекол с идеальным внутренним строением. В реальных образцах всегда присутствуют какие-то примеси, и достаточно определенно можно лишь ожидать, что с повышением показателя преломления плотность стекол увеличивается. Сильные отклонения от строгой зависимости между двумя характеристиками объясняются тем, что на структуру стекла влияет не только наличие примесей, но и условия охлаждения. Хотя величина плотности всегда в какой-то мере связана с величиной показателя преломления, во многих случаях важно определять оба параметра.

Об измерении показателя преломления мы уже рассказывали. А теперь познакомимся с методами определения плотности. Таких методов известно довольно много, есть даже специальные приборы, но при их разработке исследователи ориентировались в основном на сравнительно крупные образцы, которые по размерам значительно превышают мелкие осколки стекла, попадающие на экспертизу. Обычно в криминалистических лабораториях используют пикнометрический метод определения плотности. Для этой цели готовят набор жидкостей с известными плотностями. Плотность стекла определяется на основании того, всплывает или тонет исследуемый образец в соответствующей жидкости.