3.1.1. Основной закон спектроскопии

В основе всех количественных измерений в спектроскопии лежит закон Бугера – Ламберта – Бэра (сокращённо закон БЛБ), который связывает способность вещества поглощать свет с концентрацией данного вещества.

где I и I₀ – интенсивность прошедшего и падающего на образец света; lg – десятичный логарифм; С – молярная концентрация; l – длина оптического пути; _ – коэффициент пропорциональности, называемый молярным коэффициентом поглощения или коэффициентом экстинкции вещества. Таким образом, оптическая плотность линейно связана с концентрацией:

Поскольку по традиции в спектроскопии длина кюветы l измеряется в см, концентрация вещества – в моль/л, а оптическая плотность – безразмерная величина, то единицей измерения коэффициента экстинкции является л·моль^–1·см^–1. Величина, обратная коэффициенту экстинкции, равна толщине слоя раствора с концентрацией 1,0 моль/л, в котором интенсивность света уменьшается в 10 раз.

Для процесса поглощения света веществом характерна аддитивность: если в образце присутствуют несколько поглощающих форм, то оптическая плотность на данной длине волны будет определяться суммой поглощения каждой из них:

Поэтому при исследовании растворов требуется учитывать, что световой поток может поглощаться и молекулами растворителя, концентрация которых обычно на несколько порядков превышает концентрацию растворённого вещества. Так что необходимым условием для получения спектра поглощения какого-либо вещества в растворе является полная прозрачность в данной спектральной области используемого растворителя ε_λ^s << ε_λⁱ. Как видно из табл. 3.3, наиболее часто используемые растворители не имеют поглощения в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.

Таблица 3.3

Граница пропускания уф излучения растворителями

Растворитель	λпред, нм	Растворитель	λпред, нм
Ацетон Ацетонитрил Бензол Вода н-Гексан Метанол Серная кислота	326 210 276 200 210 215 210	Толуол Уксусная кислота Четыреххлористый углерод Циклогексан Хлороформ Этанол	280 270 265 210 245 210

3.1.2. Устройство спектрофотометра

На рис. 3.1 показана принципиальная схема однолучевого спектрофотометра.

Рис. 3.1. Схема однолучевого спектрофотометра. 1 – источник излучения, 2,3 – зеркала, 4, 8 – линзы, 6 – монохроматор, 5, 7 – входная и выходная щели, 9 – кювета, 10 – приёмник излучения

Источником излучения в области 360–1000 нм обычно служит лампа накаливания. В качестве источника УФ излучения 200–360 нм используют водородные или дейтериевые лампы. В монохроматорах в качестве диспергирующего элемента применяют призму или дифракционную решётку.

В лабораторном практикуме имеются однолучевые спектрометры UV-mini-1240 Shimadzu, Thermo Spectronic, Cary-50 и Agilent НР 8354. Порядок работы с ними приведён в приложении.

Диспергирующие элементы. Призмы. Дифракционные решётки

Угол δ отклонения пучка света при прохождении через стеклянную призму зависит от его длины волны. (рис. 3.2). Поэтому в

Р ис. 3.2. Преломление света на трёхгранной призме

недалёком прошлом призмы широко использовались в конструкциях монохроматоров. В настоящее время бóльшее распространение получили монохроматоры с дифракционной решёткой. Дифракционная решётка – это светоотражающая поверхность на которой имеется множество параллельных равноотстоящих штрихов, расстояние между которыми около 1000 нм. Если на место дифракционной решётки поставить в монохроматор обычное зеркало, то плоский луч белого света просто отразится от него (угол падения равен углу отражения). Такой же луч появится и после отражения от дифракционной решётки, но он будет не единственным. Слева и справа от него появятся ещё несколько пучков света, причём белый свет в этих боковых пучках будет разложен в спектр.

Рис. 3.3. Отражение луча белого света от дифракционной решётки

Основное уравнение дифракционной решётки для случая, когда луч света с длиной волны  направлен перпендикулярно к ней

где m = 0, ±1, ±2, ±3 … – целое число, называемое порядком спектра, β – угол между нормалью к решётке и направлением распространения дифракционного пучка m-ого порядка, d – период решётки. Попадая на экран эти пучки дают яркие полосы, разделённые неосвещёнными зонами. Для m = 0 будет наблюдаться нулевой дифракционный максимум, положение которого не зависит от . Положение остальных главных максимумов зависит от длины волны и в каждом максимуме наблюдается спектральное разложение света. С обеих сторон от нулевого дифракционного максимума будут располагаться спектры первого (m = 1), второго (m = 2) и более высоких порядков. При проектировании монохроматоров обычно используют спектр второго порядка. Для подавления эффектов частичного перекрывания спектров второго и третьего порядка используют набор из нескольких светофильтров, которые переключаются автоматически.

Один из простейших и распространённых в быту примеров отражательных дифракционных решёток – компакт-диск. На поверхности компакт-диска имеется дорожка в виде спирали с шагом 1,6 мкм между витками. Примерно треть ширины этой дорожки занята углублением, рассеивающим падающий на него свет, примерно две трети – нетронутая подложка, отражающая свет. Таким образом, компакт-диск – отражательная дифракционная решётка с периодом 1600 нм. Посветите светодиодным фонариком в центр компакт-диска. Если фонарик держать около носа, а компакт-диск приближать и удалять, вы сможете наблюдать спектры первого и второго порядка. Сравните спектры создаваемые CD и DVD дисками.