Поглощение света в жидких и твердых веществах.

Цель: определить оптический коэффициент пропускания и оптическую плотность жидких веществ, найти концентрацию неизвестного раствора.

Оборудование и принадлежности: фотометр КФК-3, растворы медного купороса различной концентрации.

Теория.

Свет, проходя через вещество, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного излучения в другие виды энергии. С точки зрения электронной теории, взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового излучения.

Поглощение светового излучения можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.

Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света

I_lλ = I_0λe^{-K l} (1)

где I_0λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I_lλ - интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l; К_λ – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. К_λ = f(λ).

Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален С:

К_λ = c_λС (2)

где c_λ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (2), можно закон Бугера (1) переписать в виде:

I_λ = I_0λe^{-c Cl} (3)

c_λ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в [моль/литр], то c_λ называют молярным коэффициентом поглощения.

Соотношение (3) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I_lλ , к во­шедшему I_0λ носит название коэффициента оптического (или свето-) пропускания слоя Т:

Т = I_lλ /I_0λ = e^{-c Cl} (4)

или в процентах

Т = I_lλ /I_0λ 100%. (5)

Поглощение слоя равно отношению

Логарифм обратной величины 1/Т называется оптической плотностью

Слоя D

D = lg 1/T = lg I_0λ /I_lλ = 0,43c_λСl (6)

т.е. оптическая плотность характеризует поглоще­ние света средой. Соотношение (6) может быть использовано как для определения концен- трации растворов, так и для характеристики спек­тров поглощения веществ.

Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения. Спектры поглощения, как и спектры испускания, бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой.

Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Е_эл , колебательной Е_кол и вращательной Е_вр энергии (Е =Е_эл + Е_кол + Е_вр ) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ∆Е_эл>>∆E_кол>>∆Е_вр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА.

Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра.

Спектральный диапазон работы фотометра от 315 до 990 нм. В качестве диспергирующего элемента в фотометре применена дифракционная решетка. Спектральный интервал, выделяемый монохроматором фотометра не более 7 нм.

Фотометр (рис.1) выполнен в виде одного блока. На металлическом основании 3 закреплены узлы фотометра, которые закрываются кожухом 1. Кюветное отделение закрывается съемной крышкой 5. Ручка 2 служит для поворота дифракционной решетки через синусный механизм и установки требуемой длины волны в нанометрах. Ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется переводом рукоятки 4 до упора влево или вправо. При установке рукоятки до упора влево в световой пучок вводится кювета с растворителем, при установке рукоятки до упора вправо в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором.

При открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой пучок. В фотометр входят фотометрический блок, блок питания и микропроцессорная система.

Результаты измерений коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации и скорости изменения оптической плотности, а также длины волны, на которой проводится измерение, высвечиваются на цифровом табло фотометра.

Рис.1. Внешний вид фотометра КФК-3.

Микропроцессорная система обеспечивает выполнение семи задач:

НУЛЬ- измерение и учет сигнала при неосвещаемом фотоприемнике;

Г – градуировка фотометра;

Е – измерение оптической плотности (D);

П – измерение оптического коэффициента пропускания (Т);

С – измерение концентрации;

А – измерение скорости изменения оптической плотности;

F – ввод коэффициента факторизации.