Определение жирности молока

Выбор темы "Определение жирности молока методом рассеяния световых лучей на жировых шариках молока" и актуальность темы обосновываются тем, что во все времена молоко было одним из основных продуктов питания человека. Все компоненты, содержащиеся в молоке, - жиры, белки, сахара, витамины - прекрасно усваиваются организмом.

Для определения процентного содержания жира в молоке разработаны химические методы. Они связаны с применением концентрированных кислот и других агрессивных реактивов, и длится один анализ час. А общая потребность в таких анализах составляет более полумиллиарда в год.

Физические методы, которые могли быть более простыми и, может быть, даже более точными для определения жирности молока и молочных продуктов до сих пор до конца не разработаны.

Объектом исследования является молоко. Гипотеза такая, что если направить узкий лазерный пучок на кювету с молоком, то световые лучи, встречая на своем пути препятствия в виде жировых шариков, отклоняются от своего первоначального пути и рассеиваются. На выходе из кюветы диаметр светового пучка будет больше, чем диаметр падающего пучка из-за эффекта рассеяния на жировых шариках. И по разнице диаметров можно судить о величине жировых компонентов, значит и жирности молока, которую можно подсчитать в процентах.

Научно-практическая ценность работы в том, что если наши исследования и расчеты окажутся верными, то простота и доступность методики намного упростит технологический процесс определения жирности молока и поднимет производительность на молочных комбинатах.

Кратко о теории рассеяния

Рассмотрим параллельный пучок света с длинной волны λ, падающий на собирающую линзу. Линза соберёт весь пучок в фокусе. Правда, из– за дифракции на экране, установленном в фокальной плоскости, будет наблюдаться яркое пятнышко конечного размера и менее яркие кольца вокруг него. Однако при очень большом диаметре пучка (и, соответственно, линзы) всей этой структурой можно пренебречь и считать, что в идеале линза собирает всю световую энергию Ф, которую несёт пучок, в бесконечно малом фокальном пятне. Внесём теперь в пучок прозрачную сферическую частицу с радиусом r.

Часть пучка провзаимодействует с частицей: отразится от поверхности, преломится внутри и т. д. Лучи из этой части пучка уже не сохранят первоначального направления и либо совсем уйдут в сторону, либо, пройдя линзу, попадут в фокальную плоскость, но не фокус. В результате полная световая энергия, собирающаяся в фокусе, уменьшится на ΔФ. Световая энергия, унесённая рассеянной частью пучка, равна ΔФ´=EoЅ, где Еo – освещенность единичной площадки в падающем пучке, Ѕ=πr² - площадь контура частицы.

Для характеристики рассеивающих свойств частицы воспользуемся безразмерной величиной Q=ΔФ/ΔФ´ где ΔФ – энергия, «теряющаяся» в результате рассеяния. Отыскание зависимостей Q от r и от λ и изучение распределения рассеянного излучения в пространстве – это основная задача теории рассеяния. Вся картина рассеяния определяется не длиной волны и радиусом частицы в отдельности, а соотношением между ними. Другими словами, безразмерная величина Q должна зависеть от безразмерной комбинаций r и λ, а именно – от параметра δ = r/λ. Если размер частиц бесконечно мал по сравнению с длиной волны (δ→0), то нет смысла говорить о световых лучах, которые попадают на частицу и рассеиваются ею. Волна просто «не замечает» частицу, ΔФ→0 и Q→0.

Обратимся к случаю, когда частица бесконечно большая по сравнению с длиной волны (δ→∞). Представляется очевидным, что рассеянные лучи – это те лучи, которые попадают в контур частицы. Так что ΔФ=ΔФ´=ЕoЅ, и, казалось бы, Q=1. Однако волновые свойства света проявляются и здесь. На контуре частицы всегда происходит дифракция. Лучи света, претерпевшего дифракцию, распространяются вперёд, по ходу падающих лучей, но всё же слегка отклоняются от своего первоначального направления. А раз так, то лучи уже не соберутся в фокальном пятне. И при этом оказывается, что энергия, которую уносят эти лучи, в точности равна ΔФ´! Так возникает удвоение количества рассеянной световой энергии: ΔФ=2ΔФ´, и Q=2.

Теория рассеяния на молочных шариках

Описание процесса прохождения параллельного светового пучка через тонкий слой молока: пусть молоко налито в кювету и свет падает на стенку кюветы перпендикулярно. Удобно представить себе, что жировые шарики расположены в молоке слоями , параллельными стенками кюветы . Каждая частица в первом слое рассеет световую энергию ΔФ1 . ΔФ1 =QЅЕo=Qπr²Еo (r - средний радиус частиц). Рассеянные лучи уходят в разные стороны, и освещенность, создаваемая первоначальным пучком, после прохождения светом первого слоя частиц падает от Еo до Е < Еo.Поэтому каждая частица во втором слое рассеет световую энергию ΔФ2 = QSЕ = Qπr²Е1 . И так далее. Наша задача – найти освещенность, создаваемую параллельным пучком на выходе из кюветы .Для этого рассмотрим внутри кюветы слой молока толщиной Δx. Пусть освещенность в месте расположения этого слоя Е(x). Изменение освещенности в слое определяется энергией , рассеиваемой всеми частицами этого слоя , и если в единице объема имеется Ν шариков жира, то ΔЕ= –Qπr²Е(x) · Ν · Δx.

В данной исследовательской работе был использован метод рассеяния узкого лазерного пучка света на жировых шариках молока, основанном на прохождении луча через кювету с молоком. При этом световые лучи будут рассеиваться и, на выходе из кюветы, диаметр пучка будет больше, чем диаметр падающего на кювету луча. По разности диаметров можно будет судить о размерах жировых шариков, т.к. чем больше жирность молока, тем больше должны быть жировые компоненты, на которых световой пучок будет рассеиваться.

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

• Данная методика проще в использовании.
• Методика более безопасна по сравнению с химическим методом.
• Данная методика работает и её можно порекомендовать для использования на молкомбинатах.