ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Лабораторная работа №5. Изучение метода фотометрии

12 3 4

Общие сведения. Оптические методы исследования веществ основаны на способности этих веществ порождать оптическое излучение или взаимодействовать с ним.

Фотометрия – совокупность оптических методов и средств измерения фотометрических величин светового потока. Основным понятием фотометрии является поток излучения, смысл которого в мощности переносимого электромагнитного (оптического) излучения.

Спектрофотометрия - определение зависимости фотометрических величин от длины волны излучения .

Спектроскопия или эмиссионный спектральный анализ - определение излучательной способности веществ в зависимости от длины волны излучения. По окраске растворов окрашенных веществ можно определять концентрацию компонентов при помощи фотоэлектрических приемников оптического излучения (фотоприемников) - приборов, превращающих световую энергию в электрическую. Если измерение ведется без выделения узкого диапазона длин волн, то есть измеряются характеристики всего светового потока, то такой метод анализа часто называется колориметрическим. Если же выделяется характерный для поглощения данным веществом оптический диапазон и измерение проводится на определенной длине волны, тогда говорят о собственно фотометрическом методе анализа. Фотометрический метод является более объективным методом, чем колориметрический, поскольку результаты его меньше зависят от поглощения света другими (интерферирующими) окрашенными веществами.

Фотометрический анализ - один из самых старых и распространенных физико-химических методов, для него требуется относительно простое оборудование, в то же время онхарактеризуется высокой чувствительностью и возможностью определения большого количества органических веществ. Открытие все новых и новых реагентов, образующих окрашенные соединения с неорганическими ионами и органическими веществами, разработка принципов сопряженных реакций делает в настоящее время применение этого метода почти неограниченным.

Фотометрический метод анализа может применяться для большого диапазона определяемых концентраций. Его используют как для определения основных компонентов различных сложных веществ, так и для определения микропримесей в объектах. Комбинирование с некоторыми методами разделения и обогащения - хроматографическим, экстракционным - позволяет на несколько порядков повысить чувствительность фотометрических методов.

Фотометрические свойства растворенного вещества характеризуются коэффициентом пропускания T (τ), коэффициентом отражения R (ρ), и коэффициентом поглощения A (α), которые для одного и того же вещества связаны соотношением

T + R + A = 1.

Определение безразмерных величин T, R и A выполняется с помощью фотометров (приборов для измерения какой-либо фотометрической величины) путем регистрации реакций приемника оптического излучения на соответствующие потоки излучения. При этом в рутинной лабораторной практике принято обозначать приборы, регистрирующие поглощение света веществом, фотометрами, отражение – отражательными фотометрами. Фотометрические методы применяются также в тех случаях, когда изучается способность веществ рассеивать (нефелометрия) и пропускать излучение (турбидиметрия), переизлучать поглощенное излучение (флуориметрия), изменять степень поляризации излучения при прохождении его через оптически активные вещества (поляриметрия).

Кроме того, одним из важных разделов физической оптики является рефрактометрия, изучающая показатели преломления оптического излучения твердых, жидких и газообразных веществ в зависимости от длины волны излучения.

Названные оптические методы применяются для изучения состояния биологических систем и их изменения в процессах ассоциации-диссоциации, взаимодействия с другими молекулами, образования и распада комплексов фермент-субстрат; фотофизических и фотохимических процессов и т.д.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. СВЕТ

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные колебания определенного диапазона частот, распространяющихся в пространстве со скоростью c, которая для вакуума составляет 3-108 м/с. Основной характеристикой электромагнитного излучения является частота ν или длина волны электромагнитных колебаний λ = c/ ν.

Частотный состав электромагнитного излучения называется его спектром.

Свойства электромагнитного излучения сильно различаются в зависимости от частотного диапазона. Наиболее высокочастотная область колебаний (спектра), характеризующаяся длиной волны λ <0,05 нм (5.10-11 м), соответствует космическим лучам, пронизывающим земную атмосферу, и гамма-излучению, возникающему при ядерных реакциях.

Область колебаний (спектра) с длинами волн от долей нанометра до нескольких десятков нанометров относится к рентгеновскому излучению. ≪Мягкое≫, т. е. наиболее длинноволновое и наименее проникающее рентгеновское излучение, примыкает к ультрафиолетовому излучению оптического диапазона.

Оптическимдиапазоном электромагнитного излучения называется средняя область спектра с длиной волны от нескольких десятков нанометров (сотых долей микрона) до величины порядка сотни микрометров (долей миллиметра). Оптический диапазон включает: невидимоеультрафиолетовое излучение с длиной волны до 380 нм, область видимого излучения - свет – с длиной волны от 380 нм до 780 нм и невидимое инфракрасное излучение с длиной волны больше 780 нм

Объединение ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения в общее понятие оптический диапазон оправдывается как однотипностью принципов возбуждения этих излучений, так и общностью методов их индикации и преобразования. Учитывая это, мы будем употреблять термин ≪свет≫ (то есть, видимое оптическое излучение) вместо ≪оптическое излучение≫ для облегчения понимания некоторых оптических явлений.

Оптическое излучение возникает либо в результате возбуждения атомов или кристаллов, сопровождающегося энергетическими переходами наименее связанных (валентных) электронов, либо в результате тепловых колебаний самих атомов и молекул, испускающих инфракрасное излучение. Рентгеновское излучение отличается от оптического тем, что возникает при возбуждении электронов с внутренних оболочек атома, радиоизлучение — при колебаниях свободных зарядов. Со стороны более длинных волн к оптическому диапазону примыкает область радиоволн.

Наиболее длинноволновое электромагнитное излучение (λ >104 м) создают промышленные установки (генераторы переменного тока).

На рис. 1 изображен в логарифмическом масштабе полный спектр электромагнитных излучений.

Рис.1. Шкала электромагнитных волн

Таблица 1.

Рис. 2. Области использования электромагнитного и оптического излучения

Таблица 2

Волновые характеристики света

Свет представляет собой волны электромагнитного поля. В электромагнитной волне колеблются векторы напряженности электрического поля E и векторы напряженности магнитного поля B.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. В соответствии с этим в дальнейшем под световым вектором подразумевается вектор напряженности электрического поля Е. Световые волны являются плоско поперечными, распространяются в однородной среде перпендикулярно направлению электрического и магнитного полей (рисунок 3).

Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называются лучами. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско поляриз о в анным (или линейно - поляризованным).

Основной волновой характеристикой света является длина волны λ, выражаемая в нм, мкм, или см.

Рис. 3. Распространение световой волны в направлении оси Z перпендикулярно векторам напряженности электрического E и магнитного B полей

Характеристикой светового потока является длина волны λ. Если световой поток содержит волны с одинаковой ориентацией плоскостей, в которых лежат вектора E световых волн, то такой свет называется поляризованным.

Оптическое излучение какой-либо одной длины волны представляет собой монохроматическое излучение.

Колебание монохроматической световой волны описывается выражением гармонического колебания:

E = A cos(t・ω + φ) = A cos (2π・t・c/λ + φ),

здесь t – время, с – скорость распространения волны, φ – фаза гармонического колебания в точке наблюдения.

Важной характеристикой световых волн является их взаимная когерентность.

Когерентность – это согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени, сложение колебаний определяет амплитуду суммарного колебания.

При сложении колебаний двух монохроматических световых волн образуется колебание той же частоты. Амплитуда результирующего колебания

может изменяться в пределах от А1 + А2 до А1 – А2 в зависимости от разности фаз φ1 – φ2 (рисунок 4).

Рис. 4. Сложение колебаний двух световых волн (пунктир) с амплитудами А1 и А2 при

различных фазах. Результирующее колебание – сплошная линия

Дневной свет и свет, испускаемый лампами накаливания, - это смесь некогерентных электромагнитных волн разных длин и фаз, образующих непрерывный (сплошной) спектр.

Волновые свойства света проявляются в отражении, преломлении, дифракции, интерференции, поляризации, рассеивании света.

Квантовые характеристики света

Свет испускается и поглощается веществом в виде строго определенных порций энергии - световых квантах - фотонах. Фотоны - элементарные частицы света. Они обладают всеми характеристиками частиц микромира: определенной энергией , массой и импульсом , где с – скорость света, - частота электромагнитной волны, h - постоянная Планка: h[дж.сек] = 6,625.10^-34.

Принципиальное отличие фотона от микрочастиц - отсутствие массы покоя, поэтому торможение (поглощение) фотона обязательно связано с превращением кванта света в другой вид энергии и прекращением самостоятельного существования.

Энергия света прямо связана с частотой. Количественную связь между корпускулярными свойствами E и волновой характеристикой излучения ν устанавливает формула Планка:

E = hν

Как следует из этого уравнения, энергия обратнопропорциональна длине волны, то есть, чем короче длина волны, тем большую энергию она несет. Корпускулярные свойства света обнаруживаются в процессах люминесценции, спектрах поглощения и испускания (флуоресценции), явлении фотоэффекта.

Виды фотометрических измерений. Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Общие методы фотометрии. Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 – 3)Ч10–3%.

Визуальная фотометрия. История визуальной фотометрии начинается с П.Бугера (1698–1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И.Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии.

Физическая фотометрия. Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш.Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.

12 3 4