ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№ 2

Лабораторная работа № 2
Исследование поглощения света в прозрачных средах.
Цель работы:
получение и исследование спектра поглощения раствора,
определение концентрации раствора.
1. Введение
Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний
электронов атомов среды под действием электромагнитного поля волны и
сопровождается потерей энергии волной, которая тратится на возбуждение
колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению
в виде вторичных волн, посылаемых электронами, частично она может переходить в другие виды энергии, например, во внутреннюю энергию тела (в
тепло). Поэтому интенсивность света при прохождении через вещество
уменьшается, свет поглощается в веществе.
Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается по экспоненциальному закону (закон Бугера):
I = Ioexp ( - d).
Здесь Iо – интенсивность волны, вступающей в вещество, I – интенсивность
света, прошедшего слой вещества толщиной d,  - коэффициент поглощения,
зависящий от свойств поглощающего вещества.
Вавилов установил, что закон Бугера выполняется в крайне широких
пределах изменения интенсивности света (1020 раз).
Численное значение коэффициента поглощения обратно пропорционально толщине слоя d, после прохождения которого интенсивность плоской
волны убывает в е (2,7182818) раз.
Коэффициент поглощения  зависит от длины волны падающего света. У
вещества, атомы которого практически не воздействуют друг на друга (газы
и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для
большинства длин волн близок к нулю и лишь для узких спектральных областей обнаруживает узкие максимумы. Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Но, поскольку масса атома много больше массы электрона, эти молекулярные частоты намного меньше атомных (и находятся в инфракрасной части спектра). Газы при высоком давлении, жидкости
и твердые тела дают широкие полосы поглощения.
По мере повышения давления газов максимумы на кривых зависимости
коэффициента поглощения от длины волны света становятся все более и более расплывчатыми и приближаются к спектрам жидкостей. Это показывает,
что на поглощение света влияет взаимодействие атомов или молекул друг с
другом.
В тех случаях, когда имеет место поглощение света молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворителе, коэффициент поглощения оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути, то есть, пропорционален концентрации вещества с: =Ас, и обобщенный закон Бугера (или закон Бугера – Ламберта –
Бера) будет выглядеть следующим образом: I = Ioexp ( - Асd), где А – новый
коэффициент, не зависящий от концентрации, и характерный для молекул
поглощающего вещества.
Для характеристики прозрачности (или непрозрачности) веществ принято использовать помимо коэффициента поглощения понятие оптической
плотности D (иногда ее называют экстинкцией раствора). Оптическая плотность характеризует ослабление света, вызванное как поглощением, так и
рассеянием света в веществе. Для неотражающего слоя вещества оптическая
плотность
D = lg(Io / I) = Kd,
Где Io, I – интенсивности излучения падающего на слой вещества толщиной
d и прошедшего через него соответственно, K - показатель поглощения среды для длины волны , связанный с удельным показателем поглощения в законе Бугера соотношением K = 2,303.
Оптическая плотность может быть определена и как логарифм величины,
обратной коэффициенту пропускания слоя вещества  [ = (I / Io)100%]
D = lg(1/).
Введение оптической плотности удобно при вычислениях, так как она
меняется на несколько единиц, тогда как величина I / Io может для различных
образцов и на различных участках спектра изменяться на несколько порядков.
2. Устройство приборов и методика эксперимента.
В данной работе измерения выполняются с помощью фотометра ФМ–56,
который позволяет измерять коэффициент пропускания, оптическую плотность, яркость, блеск, белизну как твердых, так и жидких образцов в зависимости от длины волны. Внешний вид прибора и ход лучей в нем показан на
рисунке 1. В качестве источника света используется осветитель (1) с лампой
накаливания, имеющей непрерывный спектр излучения. Для получения света
определенного состава используются одиннадцать светофильтров (2), которые выделяют свет в некотором диапазоне длин волн с максимумами, соответствующими определенной длине волны, называемой эффективной (таблица 1). Из них восемь (1- 8) делят видимую часть спектра примерно на равные
участки, три последних (9 – 11) обладают более широкой полосой пропускания. Они делят видимую область спектра на три части: красную, зеленую и
синюю.
Свет от лампы накаливания (1) попадает на конденсоры (3), формирующие два световых пучка, которые затем проходят через матовые рассеиваю-
щие стекла. Такая система формирует два световых потока одинаковой интенсивности, которые, отражаясь от зеркала (4), проходят через кюветы с исследуемыми растворами, помещенными на столике (5) фотометра и попадают в фотометрическую головку (6) прибора. Здесь потоки проходят через
диафрагмы переменного диаметра (7), ромбические призмы и объединяются
в бипризме (8). Затем свет от обоих пучков, пройдя через светофильтры (2),
попадает в окуляр (9) таким образом, что правый пучок освещает левую половину поля зрения (II), а левый – правую половину (I). Фотоприемником
при работе с данным прибором служит глаз наблюдателя.
2
1
6
4
9
5
7
2
3
8
1 –осветитель; 2 – светофильтры; 3 – конденсоры; 4 – зеркало; 5 – столик; 6 –
фотометрическая головка; 7 – диафрагма; 8 – бипризма; 9 – окуляр.
Рис.1
Таблица 1
Номер
светофильтра
1
2
3
4
5
6
Эффективная
длина волны, нм
726
665
619
574
533
496
Номер
светофильтра
7
8
9
10
11
Эффективная
длина волны, нм
465
432
653
550
470
Изменяя величину отверстия каждой диафрагмы, то есть сечение соответствующего пучка, можно изменять освещенность каждого поля. Это позволяет производить фотометрическое сравнение интенсивностей световых
пучков. Если один из пучков имеет меньшую интенсивность, чем второй,
например, за счет поглощения в стоящей на его пути среде, то, изменяя отверстия диафрагмы на пути второго пучка, можно уравнять освещенности
обоих полей и по величине изменения отверстия диафрагмы определить относительную интенсивность обоих световых пучков.
Интенсивность света, проходящего через диафрагму, пропорциональна
площади отверстия: Id2. Величина d линейно связана с углом поворота барабана , следовательно, I2. Шкала барабана проградуирована от 0 до 100,
так что цифры (черная шкала) непосредственно пропорциональны интенсивности проходящего света. Рядом с черной шкалой расположена красная шкала, деления которой аτ связаны с делениями черной шкалы ад соотношением:
aτ = lg (100 / aд) = 2 – lg(aд)
Таким образом, если, например, при измерениях поглощения поглощающий раствор помещен в одном пучке, диафрагма которого стоит на делении
100, и поворотом второго барабана уравнены яркости обоих полей, то отсчет
по черной шкале этого барабана ад даст непосредственно значение коэффициента пропускания, выраженное в процентах:
ад = (I / Io)  100% =  (%).
Отсчет по красной шкале дает непосредственно оптическую плотность раствора:
aτ = 2 – lg(aд) = lg(Io / I) = D.
Юстировка прибора: Для получения достаточно точных измерений необходимо обеспечить одинаковую начальную яркость обоих полей. Для этой
цели необходима тщательная юстировка прибора, которая осуществляется
следующим образом:
1. Включить осветитель.
2. Поворотом диска ввести светофильтр 5 (зеленый).
3. Убрать матовые рассеиватели.
4. Поворотом плоского зеркала или небольшим вращением всего осветителя
добиться появления резкого изображения спирали лампы, видимого в
каждой половине поля зрения окуляра, симметрично относительно линии
раздела полей сравнения, рис.3. Этим достигается однородность освещенности полей зрения.
Пример юстировки
нитей накала
осветительной лампы.
Рис. 3
5. Вставить в пазы оправ конденсоров осветителя матовые рассеиватели.
6. Проверить фотометрическое равенство. Для этого открыть одну из диафрагм, например левую, на деление 50 по черной шкале (50% максимальной площади), вращением правого барабана уравнять яркости световых
полей. Если отсчет по правому барабану будет 49 – 52, то это свидетельствует о равенстве интенсивностей света в пучках, посылаемых в прибор.
Если этого нет, то можно уравнять интенсивности, пользуясь следующими правилами:
а) вставить в свободный паз оправы одного из конденсоров осветителя
прозрачное стекло, прилагаемое к прибору;
б) поменять рассеиватели местами;
в) слегка переместить конденсоры в осветителе.
Порядок работы на фотометре (измерение спектральных коэффициентов
пропускания и оптической плотности):
Измерения заключаются в уравнивании диафрагмами с переменным
диаметром потоков, посылаемых в окуляр, что фиксируется по равенству яркостей полей зрения окуляра.
Для исследования поглощения в растворе необходимо заполнить стеклянную кювету исследуемым раствором. Если нас интересует характер поглощения света растворенным веществом, мы должны исключить влияние
растворителя, то есть воды. Для этого в пучок сравнения помещают идентичную кювету с дистиллированной водой. При этом обе кюветы должны быть
заполнены жидкостями полностью, без воздушных прослоек.
1. Проверить фотометрическое равновесие.
2. Установить кюветы на столик фотометра. При этом та диафрагма, через
которую проходит пучок света, уже ослабленный за счет поглощения в
растворе, должна быть открыта полностью (для этого на барабане необходимо установить по черной шкале на 100%).
3. Ввести первый светофильтр. Наблюдая в окуляр, восстановить фотометрическое равновесие вращением другого барабана. Отметить значения D и
. Последовательно сделать несколько измерений и из них взять среднее.
4. Проделать аналогичные измерения с другими светофильтрами.
Колориметр фотоэлектрический однолучевой КФО предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных
сред в видимой области спектра. В качестве источника излучения используется лампа накаливания, дающая непрерывный спектр. Выделение отдельных
участков спектра обеспечивается пятью светофильтрами, эффективные длины волн которых приведены в таблице 2.
Таблица 2
Номер
Эффективная длина
светофильтра
волны, нм
1
415
2
500
3
530
4
600
5
630
6
белый
Внешний вид колориметра схематично представлен на рис.4. Колориметр состоит из осветителя со светофильтрами, камеры фотоприемника, кюветного отделения, блока питания, усилителя и измерительного прибора.
1
2
6
5
4
3
Рис.4
1 – измерительный прибор,
2 – крышка кюветного отделения,
3 – рукоятка оси вращения диска со
светофильтрами,
4 – ручка введения кювет в световой
пучок,
5 – ручка перемещения фотометрического клина,
6 – ручка потенциометра компенсационного темнового тока.
Коэффициент пропускания  измеряемой среды, представляющий собой
отношение двух световых потоков, полного и прошедшего через измеряемую
среду, определяется в виде отношения соответствующих фототоков непосредственно по шкале микроамперметра (1):
 = (J / Jo)  100 %,
где Jо – фототок, соответствующий полному световому потоку Фо, J – фототок, соответствующий световому потоку Ф, прошедшему через измеряемую
среду.
Вторая шкала измерительного прибора проградуирована в единицах оптической плотности D.
Оптическая схема прибора приведена на рис.5.
5
1
2
3
4
6
7
Рис. 5 1 - электрическая лампа, 2 - светофильтр, 3 - конденсор,
4 - кюветы, 5 - защитная шторка, 6 - оптический серый клин,
7 - фотоприемник.
Если на фотометре ФМ – 56 одновременно анализируются световые потоки, прошедшие через измеряемую среду и кювету сравнения, то в колориметре фотоэлектрическом однолучевом (КФО) в световой пучок поочередно
помещается то измеряемый образец, то образец сравнения.
В качестве приемника излучения (7) используют селеновый фотоэлемент. Даже когда на фотоэлемент не попадает видимый свет, все равно в цепи фотоэлемента протекает так называемый темновой ток, обусловленный
тепловым излучением и контактной ЭДС. Поэтому прежде, чем производить
измерения, необходимо компенсировать темновой ток таким образом, чтобы
он не учитывался при определении отношения фототока, возникающего при
освещении фотоэлемента световым потоком, прошедшим через кювету сравнения (4), и фототока, возникающего при освещении фотоэлемента световым
потоком, прошедшим через кювету с образцом (4). Это процедура установки
"0".
Кроме того, шкала отсчетного устройства должна быть проградуирована
таким образом, чтобы при измерении фототока, возникающего при освещении эталона, показания отсчетного устройства должны соответствовать 100%
пропускания. Градуировка производится путем изменения интенсивности
падающего на фотоприемник светового потока. Это достигается за счет изменения толщины находящегося в зоне действия пучка фотометрического
клина (6). Это процедура установки "100%".
Порядок работы на приборе:
1. Включить прибор в сеть. Тумблер «Вкл.» находится на задней панели
прибора. Дать прогреться в течение 20 минут.
2. Заполнить кюветы исследуемым раствором и эталонной жидкостью до
меток, указанных на кювете. Поместить кюветы в колориметр.
3. Ввести требуемый светофильтр (3, рис.4).
4. Не закрывая крышку кюветного отделения (2, рис.4), скомпенсировать
темновой ток. Для этого ручкой 6 (рис.4) установить «0» на шкале .
5. Закрыть крышку кюветного отделения. Ввести с помощью ручки 4 (рис.4)
в световой пучок кювету с эталоном. Ручкой 5 (рис.4) установить «100%»
на шкале измерительного прибора.
6. Ввести в световой пучок кювету и исследуемым раствором (ручка 4,
рис.4). Снять показания коэффициента пропускания и оптической плотности по зеркальной шкале измерительного прибора (1, рис. 4).
ВНИМАНИЕ: Действия согласно пунктам 4,5 повторяют при каждом измерении.
3. Экспериментальная часть.
Задание 1. Получение кривых поглощения растворов.
Задание выполняют на фотометре ФМ – 56 для 8% раствора сернокислого никеля в дистиллированной воде.
1.1. Согласно описанию порядка работы на приборе, проверить фотометрическое равновесие.
1.2. Заполнить одну кювету 8%-ным раствором сернокислого никеля, другую – растворителем (дистиллированной водой) и поместить на столик
фотометра.
1.3. Получить зависимость коэффициента пропускания и оптической плотности от длины волны. Для этого, вводя поочередно светофильтры с №
1 по 8, измерить соответствующие  и D и занести их значения таблицу:
№светофильтра
1
…
…
8
1.4.
, нм

D
Результаты измерений представить в виде графиков  () и D (). Из
графика зависимости D () определить длину волны, для которой, вопервых, D имеет наибольшую величину (при этом допускается меньшая относительная ошибка при измерении), во-вторых, участок кривой
в окрестности этого значения  должен мало зависеть от длины волны.
Задание 2. Определение концентрации раствора.
Измерения проводят на том участке спектра, для которого оптическая
плотность мало зависит от длины волны. (Длина волны определяется в первом задании). Измерения выполняют на колориметре КФО.
2.1. Включить прибор и прогреть в течение 20 минут. Установить светофильтр, вырезающий требуемый участок спектра.
2.2. Заполняя кюветы поочередно раствором сернокислого никеля различной
концентрации, измерить (как это описано в порядке работы на колориметре) оптическую плотность каждого раствора. Результаты измерений
занести в таблицу:
Концентрация,
%
2
4
6
8
х
D
2.3. Построить градуировочный график зависимости D = D (C).
2.4. По градуировочному графику определить концентрацию неизвестного
раствора.
Список рекомендуемой литературы.
1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.
2. Физический практикум. Электричество и оптика /под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука. 1968.
3. Сорокина А.А., Ледяева Г.А., Шевелкина Л.Д. Практикум по оптике и физике атома. Иваново.1974.