569
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Московская государственная академия
Тонкой химической технологии
им.М.В.Ломоносова
Кафедра физики
В.М. Капитонов, В.М. Колосов
Изучение поглощения света в жидкостях с
помощью
фотометра (ОГ4).
Определение фокусных расстояний
собирающих и рассеивающих линз (ОГб).
(Учебно-методuческое пособие)
Москва 2000
www.mitht.ru/e-library
УДК 535(076.5)
В.М. Капитонов, В.М. Колосов Изучение
поглощения света в жидкостях с помощью фотометра (ОГ4). Определение фокусных расстояний собирающих и рассеивающих линз (ОГ6).-Уч.-метод. пособие/ИПЦ
МИТХТ, 1999, стр.25, табл.10, рис.11
Методическая разработка предназначена для
студентов второго курса, изучающих курс оптики.
В методическом пособии кратко изложены теоретические основы лабораторных работ; приведены
схемы и описания экспериментальных установок; даны
методические указания по обработке результатов измерений; представлены контрольные вопросы и
литература, необходимые ДЛЯ усвоения изучаемого
материала.
Утверждено БИК МИТХТ им. М.В. Ломоносова
© МИТХТ, 2000
www.mitht.ru/e-library
·3-
Лабораторная работа ОГ4.
Изучение поглощения света в жидкостях с
помощью фотометра
4. 1. Цель работы
Определение коэффициента светопропускания, оптической
плотности и коэффициента поглощения жидкости. Снятие кривых
пропускания (спектральных характеристик) жидкостей.
4. 2. Теоретические основы работы
Свет, проходя сквозь любую среду, поглощается ею.
Поглощение света связано с преобразованием электромагнитной
энергии в другие виды энергии.
dt
Рис. 4. 1. Рисунок к вывод)! |
Рис. 4. 2. График зависимости |
закона Бугера |
коэффициента пропускания отЛ |
www.mitht.ru/e-library
-4-
По электронной теории, взаимодействие света и вещества
сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой
волны с атомами и молекулами вещества.
Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в
энергию светового излучения, а частично идет на нагревание, т. е.
на возбуждение колебаний атомов и молекул среды.
Не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с
атомами и молекулами поглощающего вещества, поглощение све
та можно описать в общих чертах с энергетической точки зрения
следующим образом. Пусть через однородное вещество проходит
пучок параллельных монохроматических лучей с длиной волны А,.
Разобьем слой / этого вещества на ряд элементарных слоев
толщиной
d/ (рис. 4.1). При прохождении света сквозь слой dl поток
излучения ослабляется на dJ. Уменьшение интенсивности света
оказывается пропорциональным толщине слоя и потоку излучения
J, падающего на слой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4. |
1) |
Интегрируя уравнение |
(4. 1) в пределах |
от |
Л= О |
до |
"- |
получим: |
|
|
|
|
|
J, |
= к.! или J, = J |
е- |
1\/ |
(4. |
2) |
ln -- |
, |
||||
J |
1'. |
(1 |
|
|
|
()
где J о - поток излучения, падающего на тело;
www.mitht.ru/e-library
-5-
J, - поток излучения, прошедшего слойтолщиной Л.
Соотношение (4. 2) является законом Бугера.
Коэффициент поглощения КА, определяется свойствами
поглощающей среды. Кривая зависимости коэффициента
поглощения КА от длины волны падающего света носит
название спектральной кривой поглощения среды и имеет вид,
подобный изображенному на рис. 4.2.
Следует отметить, что ослабление света за счет рассеяния
света в стороны на частицах примесей происходит также по
экспоненциальному закону. Однако для прозрачных тел потерями
на рассеяние, по сравнению с потерями на поглощение, можно
пренебречь.
Если основным поглотителем света является вещество,
растворенное в твердом или жидком растворителе, то поглощение
света будет тем больше. чем больше молекул поглощающего
вещества встречает световой луч на своем пути. Поэтому в случае
слабых растворов коэффициент поглощения пропорционален
концентрации.
Для характеристики поглощающих свойств вещества
используется также коэффициент пропускания rIl. и оптическая
плотность Д ..
/.
Коэффициент пропускания rIl. есть
www.mitht.ru/e-library
|
- 6- |
|
|
Т. |
_ J, |
|
|
J |
(4. З) |
||
/. |
|||
|
|
||
|
о |
|
|
Егообычновыражают.процентахrл |
= ~l • 100% |
||
|
|
о |
|
Он зависит от длины волны падающего света. Графики,
выражающие зависимость коэффициента пропускания веществ от
длины волны, называются кривыми пропускания, или
спектральными характеристиками пропускания вещества. Из
сравнения формул (4.2) и (4.3) видно, что коэффициент
пропускания Тл вещества связан с коэффициентом поглощения
кJ Итолщиной поглощающего слоя 1 соотношением
|
|
|
|
|
(4.4) |
Оптической плотностью называется величина |
|
||||
Д |
|
|
J! |
|
(4.5) |
) |
=-ln- |
' |
|||
|
|
J |
|
||
|
|
|
о |
|
|
Поскольку значения коэффициента |
тА могут |
изменяться от |
|||
1% (О,О1) до 100% (1). то соответствующие значения оптической
плотности могут изменяться в пределах от 2 до О.
www.mitht.ru/e-library
- 7-
Формулу (4.2) можно переписать в виде |
J |
к .1. |
- 2,3 ·ln ....{. == |
||
|
J |
л |
|
() |
|
Сопоставляя последнее соотношение с (4.5), получим
следующую формулу, связывавшую оптическую плотность Д,.! с
коэффициентом поглощения:
к |
= 2,3Дл |
(4.6) |
|
л |
z' |
||
|
4. з. Описание установки
в работе используется универсальный фотометр ФМ-56.
Прибор предназначен для определения коэффициентов свето-
пропускания и оптической плотности твердых и жидких прозрачных
сред, коэффициентов отражения, яркости и блеска
светорассеивающих тел, а таюке для колориметрических и
спектрофотометрических изменений.
Общий вид универсального фотометра ФМ-56 показан на
рис.4.3.
1 - фотометрическая головка, в корпусе которой расположены
оптические детали (объективы, призмы и т. д.), механизмы диафрагм с переменными отверстиями;
2 вертикальный штатив с укрепленной на нем
фотометрической головкой, которая после освобождения зажимных
винтов может быть передвинута по высоте и укреплена в рабочем
положении;
3 - измерительные барабаны, имеющие по две шкалы: по
www.mitht.ru/e-library
-8-
черной шкале определяется коэффициент пропускания от О до
100%, по красной шкале определяется оптическая плотность от 2
доО;
Рис. 4. З. Внешний вид фотометра ФМ-56
4 - лупа для отсчета делений по шкале барабана;
5 - предметный столик, имеет два отверстия, центрированных
относительно объективов фотометрической головки; с помощью
кремальеры столик может перемещаться вертикально и
закрепляться в нужном положении винтом;
6 - плоское зеркало в оправе, при вращении которого вокруг
горизонтальной оси можно направлять световые пучки от
осветителя во входные отверстия фотометрической головки;
7 - оправа для матовых стекол, служащих для одновременного
освещения полей;
8 - осветитель прибора, служащий для одновременного
www.mitht.ru/e-library
-9-
освещения изучаемого образца и эталона;
9 - револьверный (вращающитйся) диск со светофильтрами (9а),
номера которых и их маркировки находятся в окошечке (9б);
10 - окуляр, в поле зрения которого наблюдатель видит круг,
разделенный линией на две половины различной яркости.
Оптическая схема фотомера изображена на рис. 4. 4.
Рис. 4.4. Оптическая схема фотометра
Принцип действия прибора основан на уравнивании двух свето-
www.mitht.ru/e-library
- 10-
вых потоков путем изменения одного из них с помощью диафрагм
дl и Д2'С переменным отверстием. Два параллельных световых
пучка, выходящих из осветителя, отражаясь от плоского зеркала 3.
проходят через измерительные диафрагмы дl , д2 И объективы
01'02 И сводятся ромбическими призмами Jrl , Л2 И бипризмой
1rз в два соприкасающихся полуполя 1, II, рассматриваемых в
окуляр ОЗ' В поле зрения окуляра наблюдатель видит круг,
разделенный линией на две половины различной яркости. Яркость
левой части поля определяется световым потоком, проходящим
сквозь правую диафрагму, а яркость правой части поля зависит от
светового потока, проходящего через левую диафрагму. Если диафрагмы в одинаковой мере раскрыты, то яркости обеих половин поля зрения будут одинаковы.
Если при равенстве яркостей обеих половин поля зрения на
пути одного светового потока, например, первого 1, поместить
объект, частично поглощающий свет, то фотометрическое
равновесие нарушится, так как поле 1станет менее ярким. Для того чтобы уравнять поля, необходимо уменьшить яркость поля П.
Уменьшение яркости поля П осуществляется изменением
отверстия диафрагмы Д . через которую проходит световой поток
П
На измерительных барабанах 1)1 и Б.. связанных с
www.mitht.ru/e-library