Физика Лаб. раб. Часть 2

8.Два вида излучений: спонтанное и вынужденное (индуцированное), свойства вынужденного излучения.

9.Основное условие усиления света веществом - инверсию населенности энергетических уровней.

10.Устройство и принцип работы оптического квантового генератора – лазера.

11.Применение лазерного излучения в биологии и медицине.

Лабораторная работа №15ꞌ

Определение оптической плотности и концентрации окрашенных растворов с помощью фотоэлектроколориметра.

Студент должен знать: оптическую схему фотоэлектроколориметра; механизм поглощения света веществом; закон поглощения света (вывод); коэффициент поглощения и его физический смысл; от чего зависит коэффициент поглощения; коэффициент пропускания, оптическую плотность и связь между ними; рассеяние света, закон Релея, нефелометрия.

Студент должен уметь: пользоваться фотоэлектроколориметром, правильно определять оптическую плотность и концентрацию окрашенных растворов, оценивать погрешность измерения.

Краткая теория

Фотометрический метод анализа основан на способности определяемого вещества поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Концентрацию поглощающего вещества определяют, измеряя интенсивность поглощения. Поглощение при определенной длине волны является информацией о качественном и количественном составе определяемого вещества и составляет аналитический сигнал.

Фотометрический анализ относится к молекулярному абсорбционному анализу, т.е. анализу основанному на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.

53

В зависимости от характера возникающих изменений выделяется несколько видов фотометрии (колориметрия, нефелометрия, турбидиметрия, флуориметрия, рефрактометрия, поляриметрия и др.)

Существуют два основных метода анализа, основанные на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра: фотоколориметрия и спектрофотометрия.

Спектрофотометрический метод анализа – основан на поглощении монохроматического излучения, т.е. излучения с одной длиной волны в видимой и УФ областях спектра.

Фотоколориметрический метод анализа – основан на поглощении полихроматического (немонохроматического) излучения, т.е. пучка лучей с близкими длинами волны в видимой области спектра. Фотоколориметрию используют в основном для анализа окрашенных растворов.

Оба метода основаны на общем принципе – пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией определяемых веществ. С помощью фотометрического анализа можно определять малые количества вещества, например, содержание примесей не ниже 510–5 % (спектрофометрически) и 110–4 % (фотоколориметрически) при погрешности определения 1 – 3 %.

Известно, что свет, проходя через любую среду, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного поля в другие виды энергии.

Явление поглощения света объясняется на основе как классической, так и квантовой теории.

С точки зрения классической теории взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Под действием электрического поля световой волны электроны атомов и молекул смещаются относительно положительно заряженных ядер, совершая гармоническое колебательное движение с частотой, равной частоте действующего поля. Колеблющийся электрон становится источником вторичных волн. В результате интерференции падающей волны со вторичной в среде возникает волна с амплитудой, отличной от

54

I0 = Iотр+ Iрас+ Iпогл+ Iпр ,

амплитуды вынуждающего поля. Поскольку интенсивность есть величина, прямо пропорциональная квадрату амплитуды, то соответственно изменится и интенсивность излучения, распространяющегося в среде. Следовательно, не вся энергия, поглощенная атомами и молекулами среды, возвращается в виде излучения – произойдет поглощение. В результате поглощения света веществом увеличивается его внутренняя энергия.

Согласно квантовым представлениям атомы и молекулы обладают дискретными значениями энергии (основное и возбужденные состояния). При распространении света через среду часть энергии тратится на возбуждение системы (за счет переходов из основного состояния в возбужденные), а часть энергии выходит из среды (за счет переходов из возбужденных состояний в основное). Так как прямых переходов больше, чем обратных, то интенсивность вышедшего из среды света оказывается меньше интенсивности света, падающего на среду.

Следовательно, поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.

Основные закономерности поглощения света веществом

Сквозь слой вещества проходит лишь часть энергии падающего света из-за осуществления эффектов отражения, рассеяния и поглощения. Соответственно интенсивность падающего светового потока I0 можно представить в виде суммы:

(1)

где Iотр – интенсивность отражѐнного светового потока; Iрас – интенсивность рассеянного излучения; Iпогл – интенсивность светового потока, поглощѐнного веществом; Iпр – интенсивность светового потока, прошедшего через слой вещества (рис. 1).

55

Рисунок 1. Схема прохождения излучения через раствор.

Поскольку при фотометрических анализах серии образцов используют одну и ту же стандартную кювету, исключаются ошибки, связанные с изменением потери светового потока на отражение. В оптически однородных средах рассеяние мало и при массовых анализах чаще всего в расчѐт не принимается. Поглощение системой излучение непосредственному анализу не поддается – измеряют интенсивность излучения, прошедшего сквозь кювету с образцом. Убывание прошедшей интенсивности часто называют экстинкцией (от англ. extinction – ослабление). Необходимо всегда иметь в виду, что измеряемые параметры экстинкции определяются процессами как поглощения, так и рассеяния. Отождествление экстинкции с поглощением должно сопровождаться аргументами в пользу пренебрежимо малой роли рассеяния.

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой поток отклоняется по всевозможным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света – наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления. При прохождении световых лучей через мутные среды (туман, дым, эмульсии и суспензии с взвешенными в них посторонними частицами) часть светового пучка рассеивается в стороны от основного направления. Результатом рассеяния является убывание плотности потока энергии излучения в направлении распространения, причем более быстрое, чем при наличии только

56

поглощения. Рассеяние света в мутных средах на частицах постороннего вещества экспериментально впервые исследовал Тиндаль в 1869 г. (эффект Тиндаля) (теорию создал Рэлей).

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2λ, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея):

	I рас	1	(2)
		4

Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние – сложением (а не интерференцией!) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под воздействием света.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размеров макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют

нефелометрией, а соответствующие приборы – нефелометрами.

Согласно закону Рэлея сильнее рассеиваются короткие волны (с меньшей длиной волны). Этим объясняется синий цвет неба. При восходе и заходе Солнца из прямого света до поверхности Земли доходят преимущественно красные лучи, т.к. большая часть коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Поэтому при восходе и заходе Солнце красное и цвет зари также красный.

Закон Бугера–Ламберта–Бера

В 1729 г. Пьер Бугер (Pierre Bouguer) и в 1760 г. Иоганн Генрих Ламберт (Johann Heinrich Lambert) впервые сформулировали простое математическое выражение для

57

экстинкции («ослабления») при прохождении света. Они предположили, что: 1) относительная доля «ослабленного» средой света не зависит от интенсивности падающего излучения и 2) каждый слой равной толщины «ослабляет» равную долю проходящего монохроматического потока энергии, что приводит к экспоненциальной зависимости

(3)

где e – основание натуральных логарифмов; αλ – некоторый «показатель экстинкции» при длине волны λ, характерный для данного вещества и имеющий размерность обратной длины; l – толщина образца поглощающего вещества.

В 1782 г. Август Бер (August Beer) сформулировал дополнительный закон, согласно которому величина «показателя

экстинкции»	прямо	пропорциональна	концентрации
поглощающих молекул в исследуемом веществе:
		αλ = ελ·С ,	(4)
где С –	концентрация растворенного		поглощающего

вещества, ελ. – коэффициент экстинкции для длины волны λ, характеризующий взаимодействие света с отдельной молекулой. Если известно, что процессы рассеяния отсутствуют (или их влияние пренебрежимо мало), то ελ называют коэффициентом поглощения. Существенно, что в законе Бера подразумевается, что ελ – величина постоянная, не зависящая от концентрации поглощающего вещества в растворе. Размерность и численная величина коэффициента экстинкции (поглощения) определяются выбором единиц измерения концентрации С.

С учѐтом (3) и (4), можно записать:

(5)

Это соотношение, известное как объединѐнный закон Бугера–Ламберта–Бера (БЛБ), является основным законом экстинкции (поглощения) света и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа.

Уравнение (4) подразумевает проведение измерений с использованием строго монохроматического света с определенной длиной волны λ. Однако, в спектрофотометрии, измерения интенсивности световых потоков зачастую производят

58

не в монохроматическом, а в полихроматическом свете, используя светофильтры, пропускающие достаточно широкие интервалы длин волн Δλ. В этом случае в уравнении (3) величину ελ заменяют на εср – коэффициент экстинкции, усредненный по интервалу Δλ, характерному для использованного светофильтра.

В практических случаях для оценки поглощения пользуются параметрами T – пропускание (прозрачность) и D – оптическая плотность (через десятичный логарифм):

T	I		1
		; D lg		.	(6)
	I0	T

Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело или раствор, к потоку излучения, упавшего на это тело,

называют коэффициентом пропускания.

Оптическая плотность это мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплѐнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него), то есть это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения).

В практической работе, как правило, используется закон

Бугера
в форме:
I I0 10 cl ,	(7)

или в логарифмической форме, когда оптическая плотность линейно зависит от концентрации:

	lg	I0	D εcl .	(8)
		I

При количественных измерениях следует учитывать, что часть светового потока отражается от стенок кюветы. Для разных кювет величина отраженного светового потока будет различна, а, следовательно, будет различен и световой поток I0. Это приводит, в конечном счете, к получению несопоставимых данных. Поэтому в фотоколориметрах чаще всего используют одну и ту

59

же кювету, поочередно заполняя ее раствором исследуемого вещества и растворителем.

Приборы, используемые для фотометрии растворов обычно имеют шкалу, проградуированную в единицах оптической плотности. Поэтому для определения неизвестной концентрации раствора предварительно строят калибровочный график (зависимости, измеренной на данной длине волны света оптической плотности D от известной концентрации растворов С). В соответствии с выражением (8) (если соблюдаются все предположения, заданные при выводе формулы закона Бугера– Ламберта–Бера) калибровочный график представляет собой прямую, в некотором диапазоне концентраций растворенного вещества. Измерив оптическую плотность Dy раствора с неизвестной концентрацией Сy по калибровочному графику находят неизвестную концентрацию Сx.

Описание установки

Прибор КФК-2 предназначен для измерения в отделенных участках диапазона длин волн 315–980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов жидкости. Прибор обеспечивает измерение светопропускания Т от 100 % до 1 % и оптической плотности D от 0 до 2 с абсолютной погрешностью не более ±1 %. Спектральный диапазон работы колориметра выделяется одним из одиннадцати светофильтров с фиксированными длинами волн максимального пропускания.

Принцип измерения коэффициента пропускания в приборе КФК-2 состоит в том, что на фотоприѐмники направляются поочередно световые потоки — полный Ф0 и прошедший через исследуемую среду Ф и определяется отношение этих потоков

Ф/Ф0.

Оптическая схема. Нить лампы 1 (рис. 2) конденсором изображается и плоскости диафрагмы 3. Это изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость, расположенную на расстояние 300 мм от объекта с 10-кратным увеличением. Сформированный световой пучок проходит через теплозащитный светофильтр 6, нейтральный светофильтр 7, цветной светофильтр 8, кюветное отделение 10, защищенное стеклами 9 и 11, и поступает на пластинку 15, которая делит световой поток на два. Примерно 10 % светового потока направляется на

60

фоторегистратор 14 (фотодиод ФД-24к) и 90 % на фоторегистратор 17 (фотоэлемент Ф-26). Для уравнивания фототоков, снимаемых с фоторегистратора 14 при работе с различными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 13 из цветного стекла.

Матовые стекла 12 и 16 обеспечивают равномерность освещения фоторегистраторов.

Рабочая длина кювет в приборе – 50, 30, 20, 10 и 5 мм.

												16
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	15	17
												13
												14
		Рисунок 2. Оптическая схема колориметра КФК-2

Электрический фотоколориметр КФК-2 (рис 3) состоит из двух автономных блоков: оптического блока и блока питания, размещенных в одном корпусе. В комплект колориметра входит также микроамперметр. В оптическом блоке размещаются: осветитель, оправа с оптикой, светофильтры, кюветное отделение с кюветодержателями, фотометрическое устройство с усилителем и элементами регулирования.

2

7

3

		8		6		5		4

Рисунок 3. Общий вид колориметра КФК-2

61

Конструкция механизма осветителя обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В оправу с оптикой встроены конденсор, диафрагма и объектив.

Цветные светофильтры (11 штук) вмонтированы в диск. В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 8. Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется. Блок– кюветодержатель для кюветы с эталонным раствором и для кюветы с исследуемым раствором устанавливается в кюветное отделение 7 так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны. Переключение кювет в световом пучке производится поворотом ручки 6 до упора. При открытой крышке кюветного отделения шторка закрывает окно перед фотоприемниками. В фотометрическое устройство входят фотоэлемент Ф-26, фотодиод ФД-24к, светоделительная пластинка и усилитель.

На лицевой панели колориметра кроме ручек переключателей 6 и 8 расположены: ручка 5 – включение фоторегистратора и ступенчатой регулировки чувствительности электрической схемы, винт 2 (под шлиц) потенциометра для установки нуля шкалы, ручки 3 и 4 – потенциометр грубой и точной установки показаний прибора. В блоке питания размещены стабилизаторы напряжения с выпрямителями и силовой трансформатор. Блок питания вдвигается по направляющим в оптический блок и электрически соединяется с ним через разъем. Выключатель сетевого напряжения расположен на стенке блока вверху. На верхней стенке корпуса колориметра установлен микроамперметр 1. На задней стенке крышки микроамперметра имеется гнездо для подключения цифрового вольтметра с пределом измерения 0,1В.

Порядок выполнения работы

Упражнение №1. Определение оптической плотности окрашенных растворов

1. Проверьте заземление КФК-2, ознакомьтесь с ручками управления, откройте крышку кюветного отделения (при этом шторка перед фотоприемником перекрывает световой пучок) и оставьте в таком положении до начала измерений.

62