Работа 2. Исследование коэффициента поглощения жидкости от длины волны Теоретические сведения

Если на слой какого-нибудь вещества направить пучок параллельных лучей, то в результате взаимодействия с веществом прошедший через него поток энергии будет меньше вошедшего в него. Объясняется это поглощением, рассеянием и отражением света.

Поглощение и рассеяние происходят внутри вещества, поэтому, вызываемые ими изменения светового потока зависят от толщины слоя вещества. Отражение света наблюдается на границах раздела сред, и ослабление потока в этом случае не зависит от толщины слоя. Если свет нормально падает на границу раздела двух сред, отношение отраженного потока световой энергии к падающему потоку

,

где R – коэффициент отражения; n₁ и n₂ – показатели преломления соответствующих сред.

После отражения на каждой границе поток световой энергии ослабится в раз.

Обычно первая среда – воздух ( ), и можно с достаточной точностью считать

,

где n – показатель преломления поглощающей среды, n = n₂.

Ослабление светового потока при учете только рассеяния и поглощения света описывается формулой закона Бугера – Бэра:

,

где I₀ и I – световой поток, вошедший в поглощающий слой и вышедший из него соответственно;  – толщина слоя; k – коэффициент рассеяния; k – коэффициент поглощения.

Величина I/I₀ называется пропусканием, а величина, обратная пропусканию I₀/I, – ослаблением светового потока. Коэффициенты k и k характеризуют свойства вещества и, как правило, зависят от длины волны распространяющегося в веществе света.

Коэффициент рассеяния k обычно пропорционален четвертой степени частоты волны: k  ⁴. Величина его для обычных прозрачных сред (газов, жидкостей, стекол) невелика, и ослабление света происходит, главным образом, вследствие поглощения. В мутных средах (тумане, дыме, коллоидных растворах) ослабление света вследствие рассеяния может быть значительным.

Если не учитывать рассеяние света и отражение на границах слоя, то ослабление, вызванное только поглощением светового потока,

.

Если учесть отражение света на границах раздела и поглощение света в толще вещества, то ослабление светового потока

.

Из последней формулы можно найти значение k (), если известна величина коэффициента отражения R() и проведены измерения ослабления света.

Однако учитывать коэффициент отражения необязательно. Можно исключить его, используя для этой цели две кюветы разной длины. Сначала световой поток I₀ пропускают через поглощающий слой толщиной ₁, затем такой же световой поток пропускают через слой того же вещества толщиной ₂. Для первого случая

(1)

для второго

(2)

Поделив уравнение (1) на (2), получим

Логарифмируя последнее соотношение, получаем рабочую формулу для определения коэффициента поглощения:

Описание экспериментальной установки

Схема установки для исследования спектров поглощения представлена на рис.1. Источником света 7 служит лампа накаливания, установленная в специальном кожухе. Лампа включается через блок питания в сеть 220 В. Свет от лампы проходит через кювету с исследуемым слоем 6 или 6 и попадает на входную щель 5 монохроматора. Монохроматор выделяет из сплошного спектра лампы накаливания определенную длину волны излучения. Основные части монохроматора: коллиматор, который состоит из щели 5 и объектива 4, призмы 3 с поворотным устройством и выходной трубы, состоящей из объектива 2 и выходной щели 1. Расстояние от щели до объектива коллиматора равно фокусному расстоянию объектива и поэтому из коллиматора выходит параллельный пучок света, который попадает на призму 3 специальной формы. При повороте призмы на выходную щель трубы выводятся лучи той или иной длины волны.

Устройства входной и выходной щелей одинаковы. Спектральный интервал, выделяемый монохроматором (т.е. монохроматичность выходящего света), определяется шириной входной и выходной щелей. Целесообразно обе щели выбрать одинаковой ширины в интервале от 0 до 4 мм. В этом случае пропускание света монохроматором максимально.

Обычно, установка уже настроена, и изменять размеры щелей запрещено без согласования с преподавателем.

Внешний вид установки представлен на рис.2. За выходной щелью 3 и вплотную к ней установлен селеновый фотоэлемент 2, к которому присоединен микроамперметр 8 с шунтом 9.

Две кюветы, толстая и тонкая, наполненные цветной жидкостью, укреплены на специальном держателе 7, и могут перемещаться перпендикулярно оптической оси установки. Толщина кювет l₁ = 5 см, l₂ = 1 см.

Градуировочный график (рис.3) позволяет сопоставить каждому делению барабана монохроматора определенную длину волны. Выбор длин волн, для которых проводят измерения, и, следовательно, интервалы делений барабана зависят от сложности спектра поглощения исследуемого раствора.