Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716
Лекция 4. Поглощение света. Закон Бугера — Бера
жүктеу/скачать 1,12 Mb.
|
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы ко
| Лекция 4.
Поглощение света. Закон Бугера — Бера. Световая волна, проходя через вещество, возбуждает вынужденные колебания электронов в атомах, на поддержание которых затрачивается энергия волны, и волна постепенно затухает. Этот процесс называется ослаблением света. Определенная часть энергии волны при этом переходит в другие виды энергии, свойственные процессам, которые сопровождают колебательное движение электронов. Это прежде всего повышение интенсивности теплового движения атомов и молекул (тепловой эффект), а также процессы ионизации и возбуждения атомов, фотохимические реакции и др. Переход энергии световой волны в другие виды внутренней энергии вещества называется поглощением света. Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен П. Бугером: в каждом Рисунок 4.1. Определение интенсивности волны. потока энергии падающей на него световой волны независимо от его абсолютной величины. Определим на основании этого закона интенсивность Jd световой волны, прошедшей слой среды толщиной d, если падающая на него волна имеет интенсивность I0. Для этого выделим на расстоянии х от поверхности слой среды толщиной dx (рис. 4.1, а). Убывание dlx интенсивности dIх волны вследствие поглощения света этим слоем, по закону Бугера, пропорционально величине Iх и толщине слоя dx: - dIх =αIх dx, где α - коэффициент пропорциональности. Уравнению можно придать вид dIх / Iх =-αdx. Решая это уравнение получим / Iх = I0е'-αх, или для слоя толщиной х = d Id = Iхе-αd График изменения интенсивности 1Х в зависимости от толщины х слоя среды, который проходит свет, показан на рис. 4.1, б (экспоненциальная кривая). Коэффициент пропорциональности а называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества. Он зависит от его химической природы и состояния, а также от длины волны света. Как видно из формулы, показатель поглощения α - это величина, обратная расстоянию de, на котором интенсивность параллельного пучка монохроматического излучения уменьшается в е = 2,72 раз (α измеряется в м-1 или см-1). Действительно, если Idе = I0 / е = I0е-1, то, следовательно, α de = 1, откуда α = 1/de. У металлов показатель поглощения весьма высок (порядка 103 ÷104 см-1). Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, вынужденные колебания которых легко возбуждаются и имеют значительную амплитуду. Это вызывает быстрое расходование энергии световой волны, значительная часть которой передается отраженной волне и падающая волна а, затухает при самой малой глубине проникания света. У диэлектриков показатель поглощения в общем невелик (порядка 10-3 ÷10-5 см-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волны, в которых показатель поглощения резко возрастает. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и значительное поглощение света происходит только при резонансных колебаниях, т. е. при частотах световой волны, близких к собственным частотам (или кратным им) колебаний электронов в атомах или атомов в молекулах диэлектрика. Это явление объясняет, например, линейчатые спектры газов в атомарном состоянии. На рис. 4.2 показан примерный характер зависимости показателя поглощения α от частоты v света для тел: а - равномерно поглощающих свет любой длины волны (черные и серые тела), б- имеющих относительно широкую полосу частот поглощения, в - с селективным (резонансным) поглощением. Ослабление света при прохождении через среду вследствие рассеяния также подчиняется закону Бугера, формула которого с учетом как поглощения, так и рассеяния принимает вид Iх = I0е-(α+σ)d, где σ — есть показатель ослабления света вследствие рассеяния. Рисунок 4.2. Характер зависимости показателя поглощения α. Исследуя поглощение монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условиях, что растворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию), А. Бер показал, что оно подчиняется закону Бугера, причем показатель поглощения а прямо пропорционален концентрации С вещества в растворе (закон Бера): α = χС, где χ - показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Тогда формула закона Бугера — Бера примет вид Id = I0е-χСd. Используя десятичные логарифмы, формуле закона Бугера — Бера чаще придают вид Id = I010-χ′Сd. Здесь χ′ = χ/2,3. Отношение Id/I0 =τ называют коэффициентом пропускания, или прозрачностью раствора, а величину D = lg I0/ Id =lgτ – оптической плотностью. В соответствии с приведенной выше формулой оптическая плотность раствора D = χ′Сd. Рисунок 4.3. Плунжерный колориметр. Если два раствора одного и того же вещества (χ1′ = χ2′) с концентрациями Сг и С2 при толщине слоев dl и d2 поглощают свет одинаково, то, следовательно, оптические плотности их равны: D1 - D2 и С1d1 = С2d2, откуда С1/ С2 = d1/ d2 т. е. концентрации растворов обратно пропорциональны толщинам слоев. На этом основан метод определения концентрации вещества в растворе, называемый концентрационной колориметрией. Метод можно показать на примере простейшего визуального (плунжерного) колориметра (рис. 4.3). В нем свет от источника И через конденсорную, линзу Л падает на два расположенных рядом стакана К, К, один со стандартным раствором с известной концентрацией Сст, другой — с исследуемым раствором. Высота dCT и d слоев растворов регулируется лри помощи стеклянных столбиков (плунжеров) Т, Т. Пройдя столб жидкости и плунжеры, свет попадает в призму Я и затем в поле наблюдения окуляра Ок. Путем погружения плунжеров в растворы добиваются одинаковой яркости обеих половин поля зрения. Тогда концентрация С исследуемого раствора определяется из соотношения С = CcldCT/d, где dn и d устанавливают по шкале у плунжеров. Аналогичный метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией. Метод основан на сравнении интенсивности света, рассеянного частицами в стандартном и исследуемом растворах, которая при относительно невысоких концентрациях пропорциональна концентрации взвешенных частиц и высоте столба раствора. Рисунок 4.4. Ход лучей через исследуемый раствор. В нефелометре растворы освещаются боковым светом, причем сравнивается яркость света, прошедшего через стаканы со стандартным и исследуемым растворами. На рис. 4.4 показан ход лучей через исследуемый раствор сравнительно: а — при колориметрии и б — при нефелометрии. В последнем случае свет от осветителя Л, ограниченный шторкой Ш, падает на стакан с раствором сбоку. В остальном оптические системы приборов устроены аналогично. Литература: 2 осн. [389-397]. Контрольные вопросы. 1. Что такое ослабление света? 2. Что такое поглощение света? 3. Что такое коэффициент пропускания? 4. Формула Бугера – Бера. 5. Что такое оптическая плотность? жүктеу/скачать 1,12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|