Книги по всем темам

Поглощение света Измерение коэффициентов пропускания прозрачных образцов Измерения проводят следующими тремя способами:

1. Правый барабан устанавливают на деление 100 по черной шкале. С помощью левого барабана уравниваются яркости в поле зрения. Над левым отверстием предметного столика помещают образец, при этом правая половина поля зрения темнеет. Вращая пра в ый измерительный барабан, добиваются равенства яркостей обеих половин поля зрения и берут отсчет по черной шкале пра в ог о барабана.

Установку на равенство следует произвести несколько раз и из полученных отсчетов определить среднее арифметическое, которое и будет представлять искомое значение коэффициента пропускания образца в процентах.

2. Правый барабан устанавливают на деление 100 по черной шкале.

Исследуемый образец помещают в правый пучок света. Яркости половин поля зрения уравнивают с помощью ле в ог о барабана. После этого образец вынимают и восстанавливают нарушенное фотометрическое равновесие вращением пра в ог о барабана. Средний отсчет из нескольких делений, взятых по черной шкале этого барабана, дает коэффициент пропускания данного образца.

3. Правый барабан устанавливают на деление 100 по черной шкале.

Исследуемый образец помещают в правый пучок света и уравнивают фотометрические поля вращением ле в ог о барабана. Берут несколько отсчетов и определяют из них среднее значение пропускания. Затем перекладывают образец из правого пучка в левый и повторяют измерения, причем теперь левый барабан устанавливают на цифре 100.

Отсчеты, соответствующие фотометрическому равновесию, берут в этом случае по пра в ому барабану.

Далее находят искомый коэффициент пропускания:

T = T1T2. (10) Если же пользоваться шкалой оптических плотностей, то по формуле D = (D1 + D2) (11) определяют среднее значение оптической плотности.

Задача Измерить пропускание и оптическую плотность приложенного образца всеми тремя методами для каждого из восьми узкополосных светофильтров (с 1 до 8) и графически построить зависимость оптической плотности и коэффициента пропускания от длины волны света, то есть спектральную характеристику образца.

Длины волн, пропускаемых светофильтрами, даны в табл.1.

Таблица Номер светофильтра 1 2 3 4 5 6 7 Длина волны, нм 726 665 619 574 533 496 465 Фотоэлектрический колориметр ФЭК-56ПМ В данной работе используется фотоэлектрический колориметр типа ФЭК–56ПМ, на котором производят измерения интенсивностей световых потоков с помощью фотоэлементов. Благодаря этому исключаются субъективные ошибки, обусловленные Фотометры ФЭК-56ПМ и ФМ-индивидуальными особенностями глаз различных наблюдателей и имеющие место при работе на визуальных приборах.

Целью работы является исследование зависимости коэффициента пропускания и оптической плотности от длины волны для раствора известной концентрации и определение неизвестной концентрации по результатам измерений оптической плотности.

Описание и принцип действия прибора ФЭК-56ПМ Оптическая схема прибора приведена на рис.4,а, а внешний вид - на рис. 4,б.

Световой пучок от источника света 1, пройдя через светофильтр 2, попадает на призму 3, которая делит пучок на два: левый и правый. Так как источник света помещен в фокусе линз 4, то свет, пройдя через линзы и отразившись от зеркал 5, выходит параллельными пучками. Далее пучки идут через кюветы 6 и попадают на линзы 8, в фокальных плоскостях которых помещены матовые стекла 9, а за ними сурьмяноцезиевые фотоэлементы 10. В правый световой пучок могут помещаться последовательно кюветы с раствором и растворителем. Раздвижная диафрагма 7, расположенная в правом пучке света, при вращении связанного с ней правого барабана, меняет свою площадь и тем самым меняет величину светового потока, падающего на правый фотоэлемент.

Раздвижная диафрагма 11 расположена в левом пучке и служит для ослабления светового потока, падающего на левый фотоэлемент 10. Величина фототока пропорциональна величине светового потока, падающего на фотоэлемент. В приборе используется компенсационный метод, основанный на уравнивании световых потоков в правом и левом "плечах" прибора.

Рис.4. Оптическая схема и внешний вид фотоэлектрического колориметра ФЭК-56ПМ Поглощение света Правый световой пучок является измерительным: а левый – компенсационным.

Если интенсивность, то есть плотность светового потока, измерительного пучка уменьшилась в “n” раз за счет поглощения света в исследуемом веществе, то для уравнивания световых потоков необходимо увеличить площадь диафрагмы в компенсационном пучке в такое же число раз.

Измерение коэффициента пропускания Т основано на определении отношения световых потоков – полного Ф0 и пропущенного через исследуемую среду Ф:

Ф T = 100%.

ФВ левый световой пучок на все время измерений помещают кювету с растворителем. Диафрагма левого плеча должна быть открыта. В правый световой пучок помещают такую же кювету с исследуемым раствором. Раздвижная диафрагма правого плеча полностью открыта (отсчет 100 по шкале коэффициента пропускания), что соответствует световому потоку Ф0.

Вследствие поглощения или рассеяния света раствором на правый фотоэлемент будет падать световой поток меньшей интенсивности, чем на левый фотоэлемент, и стрелка микроамперметра, который включен в диагональ моста балансного усилителя постоянного тока, будет отклоняться от нулевого положения. Вращая барабан левой раздвижной диафрагмы, уравнивают величину обоих световых потоков, при этом стрелка микроамперметра устанавливается на “0” (баланс схемы).

Затем кювета с раствором в правом плече заменяется такой же кюветой с растворителем. При этом фотометрическое равновесие вновь нарушается. Вращая правый барабан, уменьшают величину правого светового потока до первоначальной, при этом стрелка микроамперметра опять должна быть на “0”. Полученные по шкале правого барабана отсчеты будут соответствовать потоку Ф. Эти отсчеты дают нам коэффициент пропускания в процентах и величину оптической плотности исследуемого раствора.

Порядок выполнения работы Для выполнения работы взять у лаборанта три раствора медного купороса в воде с известными концентрациями и один раствор неизвестной концентрации, а также три одинаковых кюветы: две из которых заполнить дистиллированной водой. Третья кювета последовательно заполняется растворами в соответствии с заданиями.

Задание 1.

Исследовать зависимости коэффициента пропускания и оптической плотности раствора медного купороса в воде от длины волны проходящего через раствор излучения.

В комплект прибора ФЭК-56ПМ входит блок питания и собственно электрический колориметр.

1. Проверить, чтобы на блоке питания тумблер “СЦ-98”-“СВД-120А” находился в положении “СЦ-98”.

2. Перекрыть шторками световые пучки, поставив ручку «откр.» на верхней части колориметра в крайнее правое положение.

3. Включить блок питания прибора в сеть 220 В и дать прибору прогреться в течение 30 мин.

4. Установить «Электрический нуль» прибора. Для этого ручкой «нуль», находящейся на боковой панели прибора, установить стрелку микроамперметра на «0».

5. Ручку «чувств.» (на той же стороне прибора) поставить в среднее положение.

Фотометры ФЭК-56ПМ и ФМ-6. Установить измерительный (правый) и компенсационный (левый) большие барабаны в положение 100% пропускания (по черной шкале).

7. Открыть крышку кюветного отделения (на верхней части прибора).

Установить в левый держатель кювету с растворителем, а в правые держатели кюветы с растворителем и раствором какой-либо концентрации (например, 7%).

8. Ввести в правый световой пучок кювету с раствором с помощью малого барабана на правой стороне прибора. Закрыть крышку кюветного отделения.

9. В световые пучки ввести фильтр «3» (малый барабан на левой боковой стенке прибора).

10. Открыть шторки колориметра. При этом стрелка микроамперметра отклонится из нулевого положения. Скомпенсировать это отклонение компенсационным (левым) барабаном.

11. Вывести поворотом малого барабана (на правой стороне прибора) в правое плечо кювету с растворителем. Отклонение стрелки скомпенсировать измерительным (правым) барабаном.

Снять показания для пропускания Т (черная шкала) и оптической плотности D (красная шкала) по измерительному барабану.

12. Вернуть измерительный барабан в положение 100% пропускания: а в правое плечо ввести кювету с раствором.

13. Вводя последовательно в световые пучки фильтры «4» «8», провести аналогично измерения (п.п.9-12) для каждого фильтра.

14. По результатам измерений построить графики зависимостей Т и D от длины волны (используя табл.2).

Таблица Номер светофильтра 3 4 5 6 7 Длина волны, нм 400 440 490 540 582 Задание 2.

Измерить оптические плотности 3-х растворов с известными концентрациями и одного раствора с неизвестной концентрацией. На основании этих измерений с помощью построения градуировочного графика определить неизвестную концентрацию раствора.

1. При закрытых шторках колориметра проверить установку нуля (см. п.4 задания).

2. Для работы выбрать фильтр, при котором измеренная оптическая плотность имеет значение 0,3 0,5 и мало зависит от длины волны (см. график D от в задании 1).

Ввести в световые пучки этот фильтр.

3. Последовательно устанавливая в правое плечо кювету с растворами известных концентраций и неизвестной концентрации, провести измерения оптической плотности D для каждого из растворов в соответствии с п.п. 10, 11 задания 1.

4. Построить градуировочный график зависимости оптической плотности D раствора от концентрации C %, по которому определить неизвестную концентрацию раствора.

После выполнения заданий выключить прибор и вернуть принадлежности лаборанту.

Поглощение света Контрольные задания и вопросы 1. Сделайте вывод закона Бугера. Поясните физический смысл и границы применимости дифференциального и интегрального законов поглощения света.

2. Во сколько раз ослабляется поток света в слое вещества, если оптическая плотность равна D 3. Нарисуйте оптическую схему и объясните принцип действия прибора ФЭК-56ПМ (ФМ-56). Каким методом в приборе ФМ-56 поле зрения делится на две части Литература 1. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. М.: Физматиз, 1961. Т.3.

2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

3. Пешкова В.М., Громова М.И. Практическое руководство по спектрофотомерии и колориметрии. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1961.

ПРИЛОЖЕНИЕ Электронная модель поглощения света Переменное электрическое поле волны, распространяющейся в диэлектрике, приводит электроны в атомах к вынужденным колебаниям. В связи с этим дифференциальное уравнение колебаний каждого электрона, например, по оси x должно иметь вид mx + m x + mn x = eE0 cost, (12) где - коэффициент затухания колебаний; = 2, - частота световой волны; n – собственная циклическая частота колебаний электрона в атоме.

Второе слагаемое в левой части уравнения определяет поглощение энергии световых волн, распространяющихся в среде.

Уравнение (12) можно преобразовать к виду e ex + ex + nex = E0 cost, (13) m где ex = px - дипольный момент атома в направлении оси x.

Для простоты можно считать, что весь момент направлен по оси x, то есть e p + p + n p = E0 cost. (14) m Если в 1 см3 имеется N атомов, то дипольный момент P единицы объема по абсолютной величине равен P = pN. Умножая левые и правые части уравнения (14) на N, получаем e P + P + n P = N E0 cost. (15) m Фотометры ФЭК-56ПМ и ФМ-Для упрощения расчетов произведем вычисления в комплексной форме:

E = E0eit, где E0 = E0ei - комплексная амплитуда; Е0 – вещественная амплитуда; - начальная фаза колебаний:

e P + P + n P = N E0eit. (16) m Решением этого уравнения является P = P0eit, где P0 - амплитуда колебаний дипольного момента единицы объема.

Подставляя это решение в уравнение (16), найдем e2 E P0 = N. (17) m -2 + i n Так как между P и E существует соотношение -1 n2 - P = E = E, (18) 4 где и n - диэлектрическая проницаемость и показатель преломления (в данном случае эти величины комплексные), то для соответствующих амплитудных значений справедливо выражение n2 - P0 = E0. (19) Сравнивая (17) и (19), получим:

e4 N m n2 -1 =. (20) n -2 + i Комплексный показатель преломления можно представить в виде n = n - i. (21) После прохождения волной слоя толщиной l ее уравнение приобретает следующий вид:

2 2 nl t E = E0 exp l expi -, (22) - T c где = cT – длина волны светового колебания в вакууме.

Если теперь подставить n из (21) в (20), то, отделив действительную часть от мнимой, получим:

e2 4 N n -() m n2 - -1 =, (23) 2 n -2 + () e2 N m k = =. (24) 4 2 n n -2 + () Поглощение света Здесь k - коэффициент поглощения (см. формулу (1)), а величина характеризует уменьшение амплитуды световой волны (22) по мере ее распространения в поглощающем веществе.

Изложенный расчет справедлив для разреженных газов, когда практически отсутствует взаимодействие между атомами или молекулами.

Книги по всем темам

наверх