ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16 ГРАНИЦЕ ФОТОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ПО ДЛИННОВОЛНОВОЙ
ГРАНИЦЕ ФОТОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Цель работы: определение длинноволновой границы спектра поглощения водного раствора с протекающей в нём фотохимической реакцией и вычисление постоянной Планка.
Приборы и принадлежности: монохроматор МУМ-01, узел светодиодного излучателя, кюветное отделение, фотоприёмный узел; блок обработки сигнала; мультиметр.
Краткая теория
Фотохимические реакции
Химические реакции, происходящие под воздействием (или с участием) светового излучения, носят название светохимических. Первые светохимические закономерности были установлены в XIX веке (законы Гротгуса, Бунзена – Роско).
Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в первой трети XX
века, после открытия закона Эйнштейна, ставшим основным в фотохимии. Молекула вещества при поглощении кванта света переходит из основного в возбуждённое состояние, в котором она и вступает в химическую реакцию. Продукты
этой первичной реакции (собственно фотохимической) часто участвуют в различных вторичных реакциях (так называемые темновые реакции), приводящих к образованию конечных продуктов. С этой точки зрения фотохимию можно определить как химию возбуждённых молекул, образовавшихся при поглощении квантов света. Часто более или менее значительная часть возбуждённых молекул не
вступает в фотохимическую реакцию, а возвращается в основное состояние в результате различного рода фотофизических процессов дезактивации.
Фотохимические процессы подчиняются следующему количественному закону: масса фотохимически прореагировавшего вещества пропорциональна количеству поглощённой световой энергии.
Изучение фотохимических процессов показало, что они протекают в соответствии с фотонной природой света: каждому поглощённому фотону h соответствует химическое превращение одной молекулы.
Так как на превращение одной молекулы требуется некоторая минимальная
работа A, то энергия фотона h должна удовлетворять условию
(1)
h  A ,
откуда вытекает существование границы фотохимического процесса  0 ; если на
частоте света:   0 
A
,
h
(2)
то фотохимическая реакция не протекает. Для каждой данной фотохимической
реакции  0 имеет своё значение. Учитывая связь частоты, длины волны λ и скороc
сти света с (  ), эту границу можно указать не только частотой  0 , но и соот
ветствующей длиной волны λ0, называемой длинноволновой границей фотохимического процесса (длинноволновая, так как с увеличением длины волны энергия
фотона уменьшается и не вызывает фотореакции). Исследуя спектр поглощения
вещества, в котором протекает фотохимическая реакция, можно в некоторых случаях определить длинноволновую границу фотоэффекта.
Спектральные характеристики водного раствора двухромовокислого калия.
В данной работе изучается спектр поглощения водным раствором двухромовокислого калия K2Cr2O7 белого света. Двухромовокислый калий под действием молекул воды диссоциирует на катионы калия и анион кислого остатка:
K 2Cr2O7  2K   Cr2O7Cr2O7 
(3)
Анионы Cr2O7- - распадаются под действием света на анионы Cr2O3 – и CrO4-.
Это объясняется тем, что анионы Cr2O7 хорошо поглощают световые фотоны,
особенно фотоны синих и фиолетовых лучей, и вследствие этого распадаются на
более простые анионы. Происходящая при этом реакция может быть записана так:
Cr2O7- -+hν= CrO3 – + CrO4-.
(4)
Реакция происходит, если h  A ,
hc

 A.
(5)
Если λ равна максимальной длине волны λ0, которая ещё поглотится раствором, то A 
hc
0
,
(6)
где с=2,998·108м/с – скорость света в вакууме.
Известно, что минимальная энергия, необходимая для осуществления данной
фотохимической реакции (4), А=3,672·10-19 Дж. Зная работу А и определив опытным путём длинноволновую границу λ0, можно из формулы (6) получить экспериментальное значение постоянной Планка h.
Описание установки
Лабораторная установка состоит из следующих узлов: монохроматор МУМ01, узел светодиодного излучателя, кюветное отделение, фотоприёмный узел;
блок обработки сигнала; мультиметр.
В узле излучателя установлен специальный светодиод белого света, излучающий в диапазоне 400…700 нм (распределение спектра излучения соответствует
графикам сигнала U0, приведённым в приложении). Узел излучателя закреплён
непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод приёмного узла.
Функциональная схема блока обработки сигнала приведена на рисунке 1.
Рис 1. Функциональная схема лабораторной установки
Для повышения соотношения сигнал/шум и устранения влияния постоянных засветок питание светодиода излучателя осуществляется модулированным
током частотой ~20кГц, задаваемой генератором Г. Сигнал с фотодиода фотоприёмного узла усиливается предварительным усилителем ПУ и поступает на вход
синхронного детектора СД, на который также подаётся сигнал опорной частоты
от генератора Г. Вырабатываемое синхронным детектором напряжение усиливается и подаётся на вход измерительного прибора (мультиметра). Одновременно
это напряжение поступает на вход компаратора К, на второй вход которого поступает опорное напряжение Uоп. Величина опорного напряжения соответствует
верхней границы динамического диапазона фотоприёмного тракта (в пределах
этого диапазона сохраняется линейность световой характеристики тракта). При
превышении измеряемым сигналом уровня опорного напряжения компаратор
включает светодиодную и звуковую индикацию. В этом случае с помощью переключателя ВК следует изменить (уменьшить) ток через светодиод излучателя, что
приводит к соответствующему уменьшению мощности излучаемого светового потока.
Оптическая схема установки приведена на рисунке 2.
В качестве диспергирующего и фокусирующего элемента в монохроматоре
использована вогнутая дифракционная решётка с переменным шагом нарезки и
криволинейными штрихами, что даёт возможность значительно скомпенсировать
расфокусировку и другие аберрации. Излучение от светодиода 1 попадает на
входную щель 2 и посредством зеркала 3 попадает на дифракционную решётку 4.
Дифракционная решётка строит изображение входной щели 3 в плоскости выходной щели 6. Зеркала 3 и 5 осуществляют излом оптической оси системы для более
компактного размещения элементов в корпусе. Кроме того, зеркало 3 может быть
выведено из хода лучей с помощью рукоятки на корпусе монохроматора. В этом
случае в качестве входной щели может быть использована щель 10 (в настоящей
работе этот режим не используется и щель 10 является резервной). За выходной
щелью установлена оптическая система из линз 7, которая формирует параллельный пучок, направляемый через кюветное отделение с установленным в нём кюветы с раствором 8 на фотодиод 9 фотоприёмного узла. Сканирование спектра
осуществляется поворотом решётки 5 вокруг оси О на угол φ в пределах от
φ0=6054’ до φк=28044’. Закон движения решётки обеспечивается синусным механизмом, в котором для перемещения опорной поверхности служит винт. Системой зубчатых передач синусный механизм связан с решёткой рукояткой, расположенной на торцевой стенки монохроматора, и цифровым механическим счётчиком, вмонтированным в корпус монохроматора, с помощью которого осуществляется непосредственный отсчёт длин волн с точностью ±0,2 нм.
Рис.2. Оптическая схема лабораторной установки.
Основные спектральные характеристики:
Рабочий диапазон длин волн монохроматора 290 – 800 нм
Рабочий диапазон длин волн спектрофотометрического тракта (излучатель
– монохроматор – фотоприёмник) 370 – 650 нм.
Величины обратной линейной дисперсии – 3,2 нм/мм.
Щели на выходе и входе монохроматора сменные, постоянной ширины. Для
получения большей спектральной чистоты выделяемого излучения при работе в
области спектра от 200 до 260 и от 730 до 800 нм щели устанавливается в положение II, в областях от 260 до 330 нм и от 660 до 730 нм входная – в положение
I(II), и выходная в положении II(I). В настоящей работе фотоприёмный тракт работает в диапазоне 370- 670 нм, поэтому входная и выходная щели могут быть
оставлены в положении I.
Исследуемый образец помещают в кюветное отделение, представляющее
собой тубус с закрывающейся крышкой. Исследуемый раствор заливается в герметичную кювету, имеющую стеклянные входное и выходное окна. Спектр пропускания пустой кюветы приведён в Приложении I.
Порядок выполнения работы
1.Включите источник питания и вольтметр. Установите на мультиметре
предел измерений 20 В.
2.Установите входную и выходную щели 0,25 мм в положении I.
3. Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима приёмника излучения.
4. Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний мультиметра (U0)
от длины волны λ в диапазоне длин волн от 370 нм до 830 нм с шагом 5 нм. При
необходимости переключайте пределы измерения мультиметра (20В, 2В, 200мВ).
Заполните таблицу 1.
5. Поместите в тубус кюветного отделения кювету с раствором и снимите
соответствующие зависимости показаний мультиметра (U1) от λ в том же диапазоне длин волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и
в п. 4). Заполните таблицу 1.
6.Выключите источник питания и мультиметр:
Таблица 1
№
λ
U0 (без кюветы)
U1 (с кюветой)
R= U1| U0
1
370
2
375
3
380
…
…
…
830
Примечание:
- Если измеренное вольтметром напряжение составляет менее 0,1 В, рекомендуется установить щели большей ширины или снять щель перед источником
излучения.
- При больших световых потоках возможна перегрузка приёмников излучения. При этом включается красный мигающий индикатор перегрузки и раздаётся
звуковой сигнал. В этом случае рекомендуется уменьшить мощность источника
излучения , переводя переключатель на блоке обработки сигнала в положении 0.
- Приёмник излучения и блок обработки сигнала чувствительны к воздействиям сильного переменного электромагнитного поля, поэтому не рекомендуется
располагать РМС поблизости от радиопередающих устройств (в частности- мобильных телефонов) это может вызвать ошибки в измерениях.
7.Постройте график зависимости коэффициента пропускания раствора от
длины волны Т(λ): T 
U1
Tк , где Тк коэффициент пропускания пустой кюветы. (см.
U0
приложение 1).
8. Определить по построенному графику длинноволновую границу фотоэффекта и рассчитайте по формуле значение постоянной Планка.
9. Сделайте соответствующие физические выводы, сравните экспериментальные значения со справочными данными.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторной работы соблюдайте правила техники безопасности в лаборатории «Оптика».
1.
2.
3.
4.
5.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что такое фотоэффект?
Сформулируйте законы фотоэффекта?
Что означает «красная граница фотоэффекта»?
Запишите формулу химической реакции, происходящей в данной работе?
Какому закону подчиняются фотохимические реакции?
ЛИТЕРАТУРА
1. Трофимова Т.И. Курс общей физики: учеб. Пособие для вузов /Т.И. Трофимова.-14-е изд., стер.- М.: Издательский центр «Академия», 2007, §197201. С. 317-324.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. /А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.М.:Высшая школа, 1989, § 31.1 – 31.3.
Сост. доц. Косинова С.Н.