vse_laby_po_fizike / Лаб.оптика / Лаб.раб№14-поглощ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Изучение явления поглощения света

Методические указания к лабораторной работе № 14

( раздел « Оптика»)

Ростов-на-Дону 2009

Составители: С.М. Максимов, А.Я. Шполянский, Н.В. Пруцакова

УДК 530.1

Изучение явления поглощения света: Метод. указания. - Ростов н/Д: Издатель­ский центр ДГТУ, 2009. -12 с.

Указания содержат краткую теорию поглощения света и порядок выполнения лабораторной работы.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению редакционно-издательского Совета

Донского государственного технического университета

Научный редактор: д.т.н., проф. В.С. Кунаков

© С.М. Максимов, А.Я. Шполянский, Н.В. Пруцакова, 2009

© Издательский центр ДГТУ, 2009

Цель работы: изучить явление поглощения света и построить графики зависимости оптической плотности и коэффициента поглощения растворов от длины волны света.

Краткая теория. Поглощение (абсорбция) света.

Человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны (ЭМВ) приблизительно в следующем диапазоне длин волн: . Видимый диапазон и примыкающие к нему диапазоны ультрафиолетового и инфракрасного излучений в совокупности составляют диапазон ЭМВ, изучаемый в оптике. Из теории Максвелла следует, что скорость ЭМВ в вакууме , ()

Абсолютным показателем преломления среды n называется физическая величина, определяемая отношением скорости света в вакууме с к фазовой скорости света в среде : , откуда следует, что скорость света в прозрачных средах в n раз меньше скорости света в вакууме.

_{При прохождении света через вещество имеют место два тесно связанных явления:}

- поглощение (абсорбция) света - уменьшение интенсивности световой волны по мере ее распространения в прозрачной среде;

_{- дисперсия света – явление, обусловленное зависимостью показателя преломления вещества от частоты световой волны: или , поскольку частота и длина волны взаимосвязаны ().}

Основы теории поглощения и дисперсии света могут быть получены, если рассматривать взаимодействие световых волн с электронами атомов. Теоретическое рассмотрение проще проводить для газов, поскольку в этом случае можно не учитывать сложное взаимодействие атомов и молекул среды. Электроны, входящие в состав атомов, можно разделить на периферийные, так называемые, оптические, и электроны внутренних оболочек. На излучение и поглощение света в оптическом диапазоне влияние оказывают именно оптические электроны. В классической теории оптический электрон можно рассматривать как гармонический осциллятор, колебания которого в поле световой волны описывается уравнением вынужденных колебаний вида: , где - собственная частота колебаний гармонического осциллятора, - частота световой волны,- фаза, m - масса электрона, e –заряд электрона,- коэффициент затухания, Е₀ - амплитудное значение вектора напряженности электрического поля Е.

Если оптических электронов в атоме несколько, то им соответствует определенный набор (спектр) собственных частот колебаний . Под действием падающей световой волны электроны в атомах совершают вынужденные колебания с частотой, совпадающей с частотой падающей световой волны . Первичная электромагнитная волна, распространяясь через вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, и они становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны, складываясь с первичной, образуют результирующую волну с амплитудой и фазой, которые отличаются от амплитуды и фазы первичных волн. В результате, волна проходит через вещество с фазовой скоростью, отличной от скорости, с которой она распространялась бы в вакууме. В идеальной однородной среде колеблющиеся электроны возвращают всю падающую энергию в виде вторичных волн и поглощения света не происходит. В реальной среде часть падающей энергии переходит в другие формы (главным образом, в тепловую) – наблюдается поглощение света.

В классической теории дисперсии поглощение энергии световой волны учитывается формально введением тормозящей силы, по смыслу аналогичной силе сопротивления среды. Излучение проявляет себя так, как если бы на колеблющийся заряд действовала подобная сила. Благодаря этому, амплитуда колебаний оптических осцилляторов, согласно теоретическому рассмотрению, убывает по экспоненциальному закону. Это уменьшение амплитуды колебаний как раз и обусловлено процессами, связанными с потерей энергии световой волны при излучении. Особый интерес представляет случай, когда частота световой волны совпадает с частотой собственных колебаний электронов . При этих частотах энергия световой волны в значительной степени поглощается веществом. Такое явление называется резонансным поглощением света, а соответствующая частота – резонансной. Вещество, состоящее из атомов или молекул с определенным набором частот собственных колебаний электронов , дает в спектре прошедшего через него света узкие линии поглощения. Для этих частот наблюдаются особенности и в поведении частотной зависимости показателя преломления n. Показатель преломления оказывается постоянным в областях, далеких от линий поглощения, но быстро меняется с частотой и значительно отличается от единицы вблизи каждой линии поглощения, где взаимодействие света с веществом велико. В этой области отмечается рост значения n с увеличением длины волны (область «аномальной» дисперсии). Экспериментальная зависимость коэффициента преломления n и коэффициента поглощения χ от длины световой волны представлена на рис.1.

n

χ

1

Рис. 1. Зависимость показателя преломления n и коэффициента поглощения χ от длины волны вблизи одной из резонансных частот (– длина волны, соответствующая резонансной частоте ).

Опыт показывает, что интенсивность плоской световой волны, прошедшей сквозь слой прозрачного вещества, обнаруживает уменьшение своего значения согласно закону Бугера (рис.2):

,

вещество

с коэффиц.

поглощения

Падающая световая Световая волна, прошедшая

волна сквозь вещество

Рис.2. Иллюстрация к закону поглощения Бугера.

Где I₀ – интенсивность световой волны, вступающей в вещество,

d - толщина слоя вещества, пройденного светом,

χ - коэффициент поглощения, зависящий от длины световой волны, химической природы и состояния вещества.

Коэффициент поглощения определяется как величина, обратно пропорциональная толщине слоя вещества, по прохождении которого интенсивность падающего света убывает в e=2,7 раз. Закон справедлив при не очень больших интенсивностях света.

В тех случаях, когда поглощение осуществляется молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворителе, коэффициент поглощения оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу объема, то есть пропорционален концентрации растворенного вещества С и выражается как Здесь – новый коэффициент, не зависящий от концентрации С и характерный только для молекул поглощающего вещества.

Для растворов закон Бугера принимает вид:

,

где d – толщина слоя раствора, через который прошел свет. В таком виде закон поглощения принято называть законом Бугера – Ламберта – Бера.

Оптическая плотность (D) - мера непрозрачности слоя вещества толщиной d для световых лучей; характеризует ослабление оптического излучения в слоях различных веществ (красителях, светофильтрах, растворах, газах и тому подобное). В отсутствие отражения оптическая плотность , где I – интенсивность излучения, прошедшего поглощающую среду; I₀ – интенсивность падающего излучения. Оптическая плотность может быть определена и как логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания , то есть, . Коэффициент поглощения и оптическая плотность D связаны соотношением: .

Для веществ, атомы (молекулы) которых практически не взаимодействуют друг с другом (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок к нулю, и лишь для очень узких областей спектра имеет резкие максимумы. Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. Такой спектр получил название линейчатого спектра поглощения (рис.3). Газы при высоких давлениях, жидкости и твердые тела дают широкие полосы поглощения, так называемый, сплошной спектр поглощения (рис. 4).

χ

Рис.3.Зависимость коэффициента поглощения вещества от частоты света для газов и паров металлов при невысоких давлениях.

Рис. 4. Зависимость коэффициента поглощения вещества от частоты света для жидкостей, твердых тел, а также для газов при высоком давлении.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенность поглощающих тел. Цветные прозрачные тела, красители, растворы обнаруживают селективность (избирательность) поглощения в области видимых лучей, то есть различно поглощают лучи различных длин волн. Например, красными является стекло или раствор, слабо поглощающие красные и оранжевые лучи и сильно поглощающие зеленые и фиолетовые.

Приборы и принадлежности. Фотометр ФМС-56, кюветы с дистиллированной водой и исследуемыми растворами.

Зависимость оптической плотности твердых тел или жидкостей от длины волны света, называемая спектральной характеристикой вещества, может быть исследована с помощью фотометра ФМС-56. На рис. 5 и 6 показаны вертикальный и горизонтальный фотометры. Принцип действия фотометров одинаков и понятен из рис. 7.

1

3

2

4

5

6

Рис. 5. Устройство вертикального фотометра: 1 – осветитель, 2 – кюветы с растворами, 3 – измерительный барабан, 4 – револьверный диск со светофильтрами, 5 – окуляр, 6 – источник питания.

4

1

2

3

5

6

Рис. 6. Устройство горизонтального фотометра: 1 – осветитель, 2 – кюветы с растворами, 3 – измерительный барабан, 4 – револьверный диск со светофильтрами, 5 – окуляр, 6 – источник питания.

Осветитель позволяет получить два одинаковых пучка света (I и II). Пройдя через кюветы с растворами, диафрагмы, отверстие которых может изменяться вращением измерительных барабанов, и цветные светофильтры, световые пучки попадают в поле зрения наблюдателя, поменявшись местами (левый пучок освещает правую полуплоскость поля зрения, а правый – левую). Полностью открытой диафрагме соответствует деление барабана «0» по красной шкале, по которой отсчитывается оптическая плотность () и «100» - по черной, по которой измеряется коэффициент пропускания (в данной работе не используется).

Рис. 7. Схема горизонтального фотометра:

1 – осветитель с лампой накаливания

2 – кюветы с растворами

3 – измерительные барабаны, регулирующие величину отверстия раздвижных диафрагм

4 – ромбические призмы, изменяющие направление луча

5 – бипризма, сводящая

два пучка света в один

6 – револьверный диск со светофильтрами

7 – окуляр.

Порядок выполнения работы

Вращением окуляра добиваются резкой границы раздела поля зрения. Чтобы получить спектральную характеристику раствора необходимо взять две одинаковые кюветы: одну с исследуемым раствором, а вторую – с дистиллированной водой и поместить их на пути пучков света I и II. Если кювета с водой помещена, например, на пути левого пучка света, то правый барабан устанавливают на «0» по красной шкале и при дальнейших изучениях этот барабан не трогают. Вводят в поле зрения окуляра светофильтр №1 и вращением левого барабана добиваются одинаковой освещенности обеих половин зрения окуляра. Записывают полученное значение оптической плотности –. Нарушив фотометрическое равновесие произвольным вращением того же левого барабана, вновь восстанавливают одинаковую освещенность поля зрения окуляра и записывают второе значение . Таким же образом находят третье значение и усреднением всех трех величин получают значение оптической плотности для данного светофильтра. Аналогично проводят измерения оптической плотности для светофильтров №№ 2,3,...,8. Поворачивают кюветодержатель на 180^о, тем самым поменяв кюветы местами, и вновь повторяют измерения оптической плотности для светофильтров №№ 1,2,...,8. Отличие заключается лишь в том, что теперь на «0» устанавливается левый барабан, а выравнивание освещенности поля зрения, то есть измерение оптической плотности производится вращением правого барабана.

Для каждого светофильтра находят усредненное значение величины оптической плотности: и заносят в таблицу.

Для каждого светофильтра по формуле определяют коэффициент поглощения χ и заносят в таблицу. d - толщина кюветы с раствором (в метрах); указана на кюветах с растворами.

Таблица

номер светофильтра		1	2	3	4	5	6	7	8
эффективная длина волны λ, нм		726	665	619	574	533	496	465	432
	1
	2
	3
	ср
	1
	2
	3
	ср
	-
χ , м^-^1	-

Используя полученные значения оптической плотности и коэффициента поглощения χ , построить графики зависимостей и и объяснить характер их поведения.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение показателя преломления среды.

2. Что такое длина волны и ее частота, циклическая частота? Какова их взаимосвязь?

3. В чем заключается явление поглощения света?

4. Что называется коэффициентом поглощения света в веществе? От чего зависит коэффициент поглощения?

5. Изложите основы теории взаимодействия света с веществом.

6. Сформулируйте законы поглощения света.

7. Что называется оптической плотностью вещества?

8. Чем объясняется окраска тел?

9. Объяснить принцип работы оптического фотометра.

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. школа, 2001.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – СПб.: Лань, 2006.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Физматлит, 2005.

13