Лаб. работы оптика_1 / 2

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ.

Введение. 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 будет

где: R – коэффициент отражения; n₁ и n₂ – показатели преломления соответствующих сред (см. раздел «Дисперсия света» в книге: «Физическая оптика», ЛГИ, 1976).

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.

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

,

где: I₀ – световой поток, вошедший в поглощающий слой; I – вышедший световой поток;  – толщина слоя; k- коэффициент рассеяния; k - коэффициент поглощения.

Величина называется пропусканием. Величина, обратная пропусканию, - ослаблением. 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:

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 для ослабления вызванного только поглощением получим

. (1)

Если учесть как отражение света на границах раздела, так и поглощение света в толще вещества то ослабление светового потока может быть рассчитано по формуле

. (2)

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

Однако рассчитывать коэффициент отражения необязательно. Можно поступить следующим образом. Световой поток I₀ пропускают через поглощающий слой толщины ₁ . Затем такой же световой поток пропускают через слой того же вещества толщины ₂. В первом случае

(3)

во втором

(4)

Поделив уравнение (3) на (4), получим

(5)

Логарифмируя последнее соотношение получаем рабочую формулу для определения коэффициента поглощения, которая не зависит уже от коэффициента отражения

(6)

Описание установки

Схема установки для исследования спектров поглощения представлена на рис. 1, а ее внешний вид - на рис. 2.

Источником света 1 служит лампа накаливания, установленная в специальном кожухе. Лампа включается в блок питания. Свет от лампы проходит через кювету с исследуемым слоем 2 или 2 (рис.1). и попадает на входную щель 8 монохроматора 3. Монохроматор выделяет из сплошного спектра лампы накаливания определенную длину волны излучения. Основные части монохроматора– коллиматор, который состоит из щели 8 и объектива 9, призма с поворотным устройством 10 и выходная труба 12.. Расстояние от щели до объектива коллиматора равно фокусному расстоянию объектива, поэтому из коллиматора выходит параллельный пучок света, который попадает на призму 10 специальной формы. При повороте призмы монохроматора на ось выходной трубы, выводятся лучи той или иной длины волны. Поворачивается призма барабаном 11 (рис. 2). Для перевода градусов поворота барабана в длины волн существует градировочный график.

Выходная труба состоит из объектива 12 и выходной щели 13 (рис.1), расположенной в фокусе объектива. Устройство входной и выходной щели одинаково. Щели раскрываются на ширину до 4 мм. Ширина входной и выходной щелей монохроматора определяет монохроматичность выходящего света (ширину спектрального интервала, выделяемого прибором). Обычно ширину обоих щелей принимают одинаковой. В этом случае при заданной степени монохроматичности пропускание света монохроматором максимально.

За щелью 13 вплотную к ней установлен селеновый фотоэлемент 4, к которому присоединен микроамперметр 5 с шунтом 6.

Образцы укрепляют на специальном держателе 14, имеющем два фиксированных положения.

Порядок выполнения работы.

Убедится, что заслонка 15 закрыта (этим прекращается доступ света в прибор).

Включаем в сеть 220 В блок питания лампы накаливания.

На блоке питания включаем общий тумблер “СЕТЬ”

Включаем лампочку 16 освещения шкалы барабана монохроматора тумблером 17.

Включаем в сеть 220 В осветитель микроамперметра – на шкале прибора появится зайчик с указателем. Освобождаем микроамперметр от арретира и ставим указатель в положение «шунт».

Градировочный график (рис. 3) позволяет сопоставить каждому делению барабана монохроматора определенную длину волны, которую выделяет монохроматор. Длины волн, для которых проводят измерения, и, следовательно, интервалы делений барабана определяются сложностью спектра поглощения исследуемого раствора. Все подробности этого спектра необходимо выявить при измерениях.

Устанавливаем на барабане монохроматора нужную длину волны и вводим в световой пучок более толстую кювету. Открыв затвор 15, снимаем отсчет по микроамперметру и закрываем затвор.

Не меняя установки барабана, вводим в световой пучок более тонкую кювету. Открываем затвор и снимаем отсчеты по микроамперметру. (Предел измерения определяется по указателю на шунте).

Повторяем описанные операции для всех выбранных длин волн. Результаты измерений записываем в таблицу.

Таблица 1

Деление барабана

 определяется по графику

Толстая кювета

Тонкая кювета

ℓ1

I1

ℓ2

I2

Å

см

мкА

см

мкА

см-1

. . .

По формуле (6) рассчитываем k(). Для удобства вычислений переходим к десятичным логарифмам:

На миллиметровой бумаге строим график зависимости k от  для всего исследованного спектрального интервала.

Закончив измерения, арретируем микроамперметр, выключаем его освещение, освещение барабана монохроматора, источник света и блок питания.

Толщина кювет: ℓ₁ = 5 см, ℓ₂ = 0,5 см.

4