Застосування методу фотометрії в екології

Фотометричний метод аналізу заснований на здатності визначуваної речовини поглинати електромагнітне випромінювання оптичного діапазону. Концентрацію поглинаючої речовини визначають, вимірюючи інтенсивність поглинання. Поглинання при певній довжині хвилі є інформацією про якісний і кількісний склад визначуваної речовини і складає аналітичний сигнал.

Фотометричний аналіз відноситься до молекулярного аналізу абсорбції, т. е. аналізу заснованому на поглинанні світла молекулами аналізованої речовини і складними іонами в ультрафіолетовій (УФ), видимій і інфрачервоній (ГИК) областях спектру.

У справжніх вказівках розглядаються методу аналізу, засновані на виборчому поглинанні електромагнітного випромінювання у видимій і ультрафіолетовій областях спектру : фотоколориметрія і спектрофотометрія.

Метод спектрофотометрії аналізу — заснований на поглинанні монохроматичного випромінювання, т. е. випромінювання з однією довжиною хвилі у видимій і УФ областях спектру.

Фотоколориметричний метод аналізу — заснований на поглинанні поліхроматичного (немонохроматичного) випромінювання, т. е. пучка променів з близькими довжинами хвилі у видимій області спектру. Фотоколориметрію використовують в основному для аналізу забарвлених розчинів.

Обидва методи засновані на загальному принципі — пропорційній залежності між светопоглощением і концентрацією визначуваних речовин.

За допомогою фотометричного аналізу можна визначати малі кількості речовини, наприклад, зміст домішок не нижче 5 10-5 % (спектрофометрически) і 1 10-4 % (фотоколориметрически) при погрішності визначення 1-3 %.

Фотометричні величини. Потік світлової енергії вимірюється в люменах. Визначити світловий потік в 1 лм неможливо, не звертаючись до тіл, що світяться, і основною мірою світла довгий час була «свічка», яка вважалася одиницею сили світла. Справжні свічки вже більше століття не використовуються як міра світла, оскільки з 1862 стала застосовуватися спеціальна масляна лампа, а з 1877 - лампа, в якій спалювався пентан. У 1899 як одиниця сили відповіді була прийнята «міжнародна свічка», яка відтворювалася за допомогою електричних ламп розжарювання, що повірялися. У 1979 була прийнята міжнародна одиниця, що дещо відрізняється від неї, названа канделой (кд). Кандела дорівнює силі світла в цьому напрямі джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частоти 540Ч1012 Гц (l = 555 нм), енергетична сила світлового випромінювання якого в цьому напрямі складає 1/683 Вт/ср.

Протяжне джерело світла або освітлений предмет характеризується певною яскравістю (фотометричною яскравістю). Якщо сила світла, що випускається 1 м2 такої поверхні в цьому напрямі, дорівнює 1 кд, то її яскравість в цьому напрямі рівна 1 кд/м2. (Яскравість більшості тіл і джерел світла у різних напрямах неоднакова.)

Види фотометричних вимірів. Основні види фотометричних вимірів такі: 1) порівняння сили світла джерел; 2) вимір повного потоку від джерела світла; 3) вимір освітленості в заданій площині; 4) вимір яскравості в заданому напрямі; 5) вимір долі світла, що пропускається частково прозорими об'єктами; 6) вимір долі світла, відбиваної об'єктами.

Загальні методи фотометрії. Існують два загальні методи фотометрії : 1) візуальна фотометрія, в якій при вирівнюванні механічними або оптичними засобами яскравості двох полів порівняння використовується здатність людського ока відчувати відмінності в яскравості; 2) фізична фотометрія, в якій для порівняння двох джерел світла використовуються різні приймачі світла іншого роду, - вакуумні фотоелементи, напівпровідникові фотодіоди і так далі. При обох методах для того, щоб результати мали універсальну значущість, умови спостереження (чи роботи приладів) мають бути такими, щоб фотометр реагував на різні довжини хвиль в точній відповідності з «стандартним спостерігачем» МКО. Важливо також, щоб світловий вихід лампи не змінювався в ході вимірів. Для стабілізації і виміру струму і напруги в таких умовах зазвичай потрібно досить складну електричну апаратуру. У найточніших фотометричних вимірах доводиться стабілізувати струм через лампу з точністю до (2 - 3) Ч10-3%.

Візуальна фотометрія. Історія візуальної фотометрії починається з П. Бугера (1698-1758), чудового ученого, який в 1729 винайшов спосіб порівняння двох потоків світла і сформулював майже усі основні принципи фотометрії. І.Ламберт (1728-1777) далі систематизував теорію фотометрії, і подальший її розвиток йшов в основному по лінії вдосконалення методів. Нині візуальна фотометрія застосовується обмежено - при вимірі дуже слабких світлових потоків, коли важко однозначно інтерпретувати результати фізичної фотометрії.

Фізична фотометрія. Фізичну фотометрію започаткували Ю.Эльстер і Г. Гейтель, що відкрили в 1889 фотоефект. У 1908 Ш.Фери розробив електричний фотометр, чутливість якого до різних довжин хвиль була близька до чутливості людського ока. Але лише в 1930-х роках, після удосконалення вакуумних фотоелементів і винаходу селенового фотодіода, фізична (електрична) фотометрія стала широко вживаним методом, особливо в промислових лабораторіях.