Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 (оптика) Челябинск 2007 1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ: а) изучение принципа действия колориметра типа КФК; б) проверка закона Бугера-Ламберта; в) определение концентрации раствора. ОБОРУДОВАНИЕ: однолучевой фотометрический колориметр КФК, набор кювет, раствор бихромата калия, раствор бриллиантовой зелени, дистиллированная вода, этиловый спирт. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля световой волны и, следовательно , сопровождается потерей энергии последней . Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн , посылаемых электронами , частично же она может переходить и в другие формы энергии, например , в энергию теплового движения. Поглощение света входя в детали можно описать с энергетической точки зрения, не механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества. Пусть через однородный слой вещества толщиной l распространяется пучок параллельных монохроматических лучей длиной волны . Разобьем этот слой на ряд элементарных слоев с толщиной dl . При прохождении света сквозь такой слой сила света I ослабляется пропорционально падающему свету и толщине слоя dl на величину -dI = Idl (1) где — коэффициент пропорциональности, не зависящий от силы света и называемый коэффициентом поглощения . Знак минус показывает , что сила света при этом уменьшается. Интегрируя уравнение (1) в пределах от 0 до l , получим lnI - lnI0 = l 2 (2) I I 0e l (закон Бугера - Ламберта), (3) где I — сила света, вышедшего из поглощающего вещества; I0 — сила света, вошедшего в слой поглощающего вещества . Потерями света при отражении от границ поглощающей cреды пренебрегаем. Численное значение коэффициента поглощения показывает такую толщину слоя l , равную 1/ после прохождения которой сила света падает в e ( 2,72 ) раз . Свет различных длин волн поглощается различно, поэтому коэффициент поглощения зависит от длины волны (рис 1) . Зависимость коэффициента поглощения от длины волны называется спектром поглощения . Как правило, спектры поглощения твердых тел и жидкостей (включая растворы красок) дают широкие полосы коэффициента ) , хотя встречаются поглощения вещества (плавный ход со сравнительно узкими полосами поглощения (соли редких земель), которые, тем не менее, в сотни и тысячи раз шире линий поглощения атомарных газов. Спектр поглощения многоатомных газов представляет собой ряд более или менее сложных полос, а одноатомные газы (пары металлов, например) характеризуются резкими линиями поглощения, ширина которых нередко измеряется сотыми долями ангстрема . По мере повышения давления газов спектры поглощения их становятся все более и более расплывчатыми и при высоких давлениях приближаются к спектрам поглощения жидкостей. Эти наблюдения показывают , что расширение узких полос поглощения является результатом взаимодействия атомов друг с другом. 3 2,0 1,0 , нм 0,0 400 500 600 Рис . 1. Схематическое изображение зависимости = f ( ) (спектр поглощения) Следует отметить, что ослабление света может происходить и за счет рассеивания световой энергии в сторону (также по экспотенциальному закону). Однако в случае прозрачных тел рассеянием можно пренебречь . Если поглотителем является растворенное в жидкости или в твердом растворителе вещество , то поглощение будет тем больше , чем больше молекул поглощающего вещества свет встречает на своем пути . Поэтому в случае слабых растворов , то есть растворенного вещества когда взаимодействием между молекулами можно пренебречь , коэффициент поглощения пропорционален концентрации C . = 0 C (4) где 0 — коэффициент пропорциональности, не зависящий от концентрации и характерный для молекул поглощающего ( растворенного) вещества, 0 также зависит от длины волны . Подставляя (4) в формулу (3) , получим : - 0 C l I=I0 e Закон определения ( закон Бугера - Ламберта - Бера ) Бугера - Ламберта - Бера концентрации оказывается поглощающего 4 очень вещества (5) полезным путем для измерения поглощения , которое может быть выполнено очень точно при помощи фотометров более или менее сложной конструкции. Этим приемом нередко пользуются в лабораторной и промышленной практике для быстрого определения концентрации веществ, химический анализ которых оказывается очень сложным (колориметрия и спектрофотометрия, абсорбционный спектральный анализ) . Закон Бугера - Ламберта - Бера надо рассматривать скорее как правило, ибо наблюдаются существенном значительные уменьшении отклонения взаимного от расстояния вещества . Нередко обнаруживаются отклонения способности молекул растворенного вещества него, особенно между в от при молекулами поглощательной их концентрации. Это указывает на влияние окружающих молекул. Обычно измеряемыми в экспериментах величинами являются отношение I , I0 (6) называемое коэффициентом пропускания, и величина D = lg( I0 ), I (7) называемая оптической плотностью . Эти величины связаны между собой соотношением D = - lg . Коэффициент пропускания часто выражается в процентах: I 100% . I0 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 2 . 1 Работа на приборе КФО. Для решения поставленных фотоэлектрический колориметр заключается задач типа в работе КФО . Принцип используется работы прибора в измерении отношения силы света двух световых пучков : 5 полного I0 и прошедшего I через измеряемую среду. При этом коэффициент = (I/I0) 100 % определяется пропускания непосредственно по шкале микроамперметра . Оптическая схема прибора приведена на рис . 2 . Источник света ( лампа накаливания ) 1 помещен в фокальной плоскости конденсора 3 , благодаря чему свет от источника через кювету 8 до фотоприемника 6 идет параллельным пучком . Для выделения отдельных участков спектра используются поглотители (светофильтры). Шторка 4 служит для 2 из перекрытия цветного стекла светового потока, падающего на фотоприемник 6 ( селеновый фотоэлемент). 4 1 2 5 3 7 8 Рис. 2. Оптическая схема прибора КФО 1 — источник света, 2 — избирательный поглотитель (светофильтр), 3 — конденсор, 4 — шторка, 5 — фотометрический клин, 6 — фотоприемник, 7 — защитное стекло кюветной камеры, 8 — кювета. 6 6 Фотометрический клин 5, установленный предназначен для выставления отсчета 100 перед фотоприемником, по шкале микроамперметра. Оптическая плотность клина меняется от 0,5 до 1,7. Ток, протекающий через фотоэлемент , прямо пропорционален силе света, падающего на него. В свою очередь, микроамперметра, прямо пропорционален ток, измеренный с помощью току, протекающему через фотоэлемент. Таким образом , измеряемый ток пропорционален силе света светового пучка. Поглотители вводятся с помощью рукоятки “ избирательные поглотители ”. Цифры у выступа этой рукоятки показывают , какого цвета поглотитель введен в световой поток : № 1 — синий, № 2 — сине-зеленый, № 3 — зеленый, № ,% 4 — оранжевый, № 5 — красный, № 6 — неизбирательный . Неизбирательный поглотитель изготовлен из нейтрального стекла и имеет коэффициент пропускания = 30 % . Характеристики поглотителей приведены на рис 3 . ,нм Рис 3 . Характеристики поглотителей Кювета с исследуемой жидкостью помещается в кюветодержатель. В нем могут быть установлены сразу две кюветы , которые вводятся в световой поток поочередно с помощью ручки ” Кюветы”. 7 При измерениях крышку кюветного отделения (сверху) нужно закрыть до упора. При открывании этой крышки шторка 4 (рис. 2) закрывает окно перед фотоэлементом. Фотометрический круговой клин приводится во вращение “ Установка 100”. При вращении рукоятки по шкале микроамперметра рукояткой часовой стрелке отсчет по увеличивается, а оптическая плотность клина уменьшается. При измерениях для исключения потерь на отражение сила падающего света устанавливается по пустой кювете. При исследовании поглощательной способности растворов сила падающего света устанавливается по кювете с растворителем для исключения влияния растворителя. Упражнение 1 Проверка закона Бугера - Ламберта . 1 . Налить в кюветы длиной l = 1 , 3 , 5 , 10 , 20 , 30 мм один и тот же раствор. 2. Установить один из светофильтров . 3. Установить ноль прибора кюветного отделения), при закрытой рукояткой шторке (открытой “ Установка нуля ” крышке по шкале микроамперметра. 4. Закрыть крышку кюветного отделения и для кюветы с дистиллированной водой с помощью ручки “ Установка 100 “ выставить отсчет 100 на шкале микроамперметра. Поглощением растворителя можно пренебречь, поэтому установка производится по кювете одной толщины. 5. Установить в кюветное отделение измеряемый образец толщиной слоя l = 1 , 3 , 5 , 10 , 20 , 30 мм ( поочередно). 6. Закрыть крышку прибора и снять отсчет по шкале измерительного прибора. Отношение I I0 соответствует 8 коэффициенту пропускания измеряемого раствора . Для повышения точности измерений произвести по 3 измерения и вычислить среднее арифметическое значение . 7. Построить зависимость ln от толщины слоя l . Определить коэффициент поглощения эф численно равный обратной величине длины слоя, после прохождения которого сила света ослабевает в e раз. 8. Произвести аналогичные измерения и вычисления при установке других избирательных светофильтров. 9 . Построить график зависимости взять длину эф от волны, соответствующую эф. В качестве длины волны эф максимальному пропусканию соответствующего светофильтра. 10. Проделать аналогичные измерения и вычисления (п.п. 1 - 9) для другого раствора. Благодаря тому , что свет после прохождения светофильтра является все же не монохроматическим , график ln = f ( l ) не прямая линия (кажущееся нарушение закона Бугера - Ламберта). Упражнение 2 Определение концентрации бихромата калия в растворе. Для определения калибровочный концентрации график. Для этой раствора цели в кюветы необходимо одинаковой построить толщины поглощающего слоя (l = 30 мм) налить растворы различной концентрации (С = 0,05 ; 0,03; 0,01 мг/мм ). Затем, установив один из поглотителей, произвести измерения коэффициента пропускания для каждого раствора и построить калибровочный график — зависимость коэффициент пропускания ln от С. После этого раствора с растворенного вещества и, пользуясь неизвестной найти концентрацией калибровочным графиком, найти неизвестную концентрацию. Провести аналогичное измерение при установке избирательного поглотителя . Результаты сравнить. 9 любого другого Благодаря тому, что свет после прохождения светофильтра все же не является монохроматическим , график зависимости не прямая линия (кажущееся нарушение закона Бугера - Ламберта - Бера). 2.2 . Работа на приборе КФК-2 Оптическая схема КФК-2 приведена на рисунке 4 . Нить лампы 1 конденсором 2 изображается в плоскости диафрагмы 3 ( 2 мм). Это изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость, отстоящую объектива на расстоянии ~ 300 мм, с увеличением в 10 раз. Кювета 10 исследуемым раствором вводится в световой пучок от с между защитными стеклами 9, 11. Для выделения узких участков спектра из сплошного спектра излучения лампы в колориметре имеются цветные светофильтры 8. Теплозащитные светофильтры 6 введены в световой пучок при работе в видимой области спектра 400 — 590 мм. Для ослабления светового потока при работе в диапазоне 400 — 540 мм введены нейтральные светофильтры 7. Пластина 14 делит световой поток на два. При этом поток интенсивностью ~10 % направляется на фотодиод ФД-24К (12) и ~ 90 % — на фотоэлемент Ф-26 (15). Для уравнивания фототоков, снимаемых с фотоприемника ФД-24К при работе с разными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 13 из цветного стекла СЗС-16. При измерении со светофильтрами 315, 340, 400, 440, 540 нм ручку “фотоприемник“ (справа) установить в положение “315 — 540“ При измерении со светофильтрами 590 , 670, 750, 870, 980 нм ручку “фотоприемник “ установить в положение “590 —980“. Жидкость наливают в кюветы до метки на боковой стенке . Кювету с жидкостью при установке не наклонять . Нельзя касаться пальцами рабочих участков поверхностей (ниже уровня жидкости в кювете). 10 6 1 2 3 4 5 8 10 7 11 15 14 9 13 12 Рис. 4. Принципиальная оптическая схема КФК –2 2 . 2 . 1 Порядок работы на КФК-2 . Упражнение 1 Проверка закона Бугера - Ламберта . 1. Кювету с дистиллированной водой установить в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювету с раствором — в ближнее. 2. Установить необходимый световой фильтр и нужный фотоприемник. 3. В световой пучок ввести кювету с растворителем (дистиллированной водой). 4. Закрыть крышку кюветного отделения и по стрелочному прибору взять отсчет I0 (в делениях шкалы). 5. В световой пучок ввести кюветы с исследуемым раствором толщиной слоя l = 1; 3; 5; 10; 20; 30 мм (поочередно) и взять отсчет I (в делениях шкалы). Вычислить I . I0 Данные занести в таблицу (разработать самостоятельно). 6. В соответствии с п.п. 2, 3, 4, 5 провести аналогичные измерения для других избирательных светофильтров. 7. Для каждого светофильтра построить зависимость ln от толщины слоя l и определить коэффициент поглощения эфф. 8. Построить график зависимости эфф от эфф. 11 Упражнение 2. Определение концентрации бихромата калия в растворе. (Смотри описание этого упражнения выше). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 1. Объяснить явление поглощения света веществом. 2. Вывести закон Бугера - Ламберта. 3. Как объяснить наличие окраски у прозрачных тел? 4. Что такое коэффициент пропускания и оптическая плотность и как они связаны между собой? 5. Когда закон Бугера - Ламберта - Бера не выполняется? 6. Как объяснить кажущееся нарушение законов Бугера - Ламберта и Бугера Ламберта - Бера при освещении немонохроматическим светом? ЛИТЕРАТУРА 1. Ландсберг Оптика. - М . : Наука , 1976 , с . 563 - 575 . 2. Физический практикум. Электричество и оптика. - Под ред. В . И . Ивероновой .-М.: Наука , 1968 , с . 665 - 671 . 12
