Фотометрия

I. Поглощение света и его особенности. Основной закон поглощения в дифференциальной и интегральной формах.

Поглощение - явление ослабления лучистого потока по мере проникновения его вглубь вещества или среды.

Смысл поглощения заключается в том, что энергия оптического излучения переходит в другие виды энергии (тепловую, химическую, люминесцентную и др.)

Особенности:

1.Зависит от вида поглощающего вещества.

2.Зависит от концентрации поглощающего растворенного вещества.

3.Зависит от толщины слоя вещества.

4.Происходит по закону убывающей показательной ( экспоненциальной)

функции.

Закон поглощения в однородной среде для монохроматического излучения был установлен французским ученым Бугером в 1729 году и теоретически обоснован французским ученым Ламбертом в 1760 году.

Формулировка основного закона поглощения:

Слои вещества одинаковой толщины поглощают равные доли (части) падающего на них монохроматического светового (лучистого) потока независимо от его абсолютной величины.

1. Закон поглощения в дифференциальной форме:

Пусть на пластину толщиной «L» падает неослабленный лучистый поток Ф0 .

Выделим в этом слое элементарный слой «dx». Проходя через вещество, лучистый поток поглощается слоем «Фх», а также самим элементарным слоем «dФх». На выходе из вещества слоем толщиной «l» лучистый поток ослабляется до значения « Фl »

Ф0 - неослабленный лучистый поток; Фх - лучистый поток, падающий на элементарный слой;

dФх - лучистый поток, поглощённый элементарным слоем «dx»; Фl - ослабленный лучистый поток на слое толщиной « l »;

dx - толщина элементарного слоя.

пропорционален лучистому потоку, падающему на этот слой, и толщине этого слоя.

«kλ» - коэффициент пропорциональности, показатель поглощения, зависит от длины волны (λ) или частоты (ν) падающего излучения и от природы вещества. (kλ по СИ [м-1]).

Знак «-» в законе поглощения означает убыль интенсивности излучения. Следствия:

1. dФx/dx = - kλ · Фх — абсолютная скорость поглощения

Абсолютная скорость поглощения прямо пропорциональна лучистому потоку, падающему на этот слой.

2. dФx/Фxdx = - kλ — относительная скорость поглощения. Относительная скорость поглощения есть показатель поглощения.

II. Закон поглощения в интегральной форме.

Этот закон выводится из дифференциальной формы закона.

1.dФx = -k·Фx·dx

2.Разделим переменные:

dФx / Фx = -k·dx

3. Проинтегрируем обе части равенства: Лучистый поток в пределах от «Ф0» до «Фl». Толщина слоя в пределах от «0» до «l»

ln(Ф / Ф0 ) k

- интегральная форма закона Бугера – Ламберта

Лучистый поток на выходе пропорционален лучистому потоку на входе и убывает по закону экспоненциальной функции.

Графическая интерпретация закона:

При увеличении толщины слоя L поглощение

быстро возрастает, причем скорость этого возрастания пропорциональна показателю поглощения k.

k1 > k2

Максимальное значение «k» определяет избирательность поглощения различными веществами определенных длин волн.

Избирательным поглощением обладают все вещества.

Например: резкий «max» поглощения для кожи человека лежит в пределах длин волн около 300 нм (УФ-область) . Эта область обладает лечебным свойством. Эту область сильно поглощает так же оконное стекло, но плохо поглощает кварцевое и увиолевое стекла - поэтому их используют в медицинских ртутно - кварцевых лампах.

4.lg(Ф /Ф0 ) x c

5.lg(Ф0 /Ф ) x c

6.D x c

Т.о.

т.е между оптической плотностью «D» и концентрацией вещества «С» существует линейная зависимость.

Вывод: пользование на практике этой величиной очень облегчает расчеты, т.к. заменяет сложную в расчетах показательную функцию на более простую.

т.е слой единичной толщины при D = 2 ослабляет интенсивность лучистого потока в 100 раз.

IV Опти еская плотность — мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него

(отразившегося от него), то есть это есть логарифм от величины, обратной

ккоэффициенту пропускания (отражения)[1]:

Кпримеру D=4 означает, что свет был ослаблен в 104=10 000 раз, то есть для человека это полностью чёрный объект, а D=0 означает, что свет прошёл (отразился) полностью.

В терминах оптической плотности задаются требования к выдержке негативов.

Прибор для измерения оптической плотности называется денситометром. В рентгеновских методах неразрушающего контроля оптическая плотность рентгеновского снимка является параметром оценки пригодности снимка к дальнейшей расшифровке. Допустимые значения оптической плотности в рентгеновских методах неразрушающего контроля регламентируются в соответствии с требованиями ГОСТ.

V. Основные фотометри еские методы и их характеристика.

В медицине закон Бугера-Ламберта-Бера используется для определения концентрации вещества в окрашенных растворах.

Фотометрические методы - это совокупность оптических методов для определения концентрации вещества в растворах, гистологических и цитологических препаратах на основе закона Бугера-Ламберта-Бера.

Их преимущества:

-простота применения

-быстрота определения концентрации

-сравнительно высокая чувствительность

Различают 3 группы:

1)Визуальные методы

2)Фотоколориметрические методы

3)Спектрофотометрические.

Преимущества: может не соблюдаться в точности закон Бугера-Ламберта-

Бера. Недостатки: невысокая точность определения концентрации (2-5%)

2) Метод разбавления

Суть: Раствор неизвестной концентрации Сх разбавляют до тех пор, пока интенсивность его окраски или оптическая плотность не уравняются со стандартным раствором известной концентрации Сст.

Зная степень разбавления по высоте подъема жидкости в пробирке Lx, легко определяется концентрация. Этот метод используется для определения гемоглобина в крови человека.

3) Метод погружения

Суть: в две измерительные пробирки с плоским дном помещают стандартный «Сст» и неизвестный «Сх» растворы. Сверху в пробирки погружают стеклянные стержни-световоды с плоским полированным торцом. Принимая глубину погружения одного стержня за 1 (единицу), будем изменять глубину погружения др. стержня до тех пор, пока поле зрения в окуляре не будет иметь равную интенсивность окраски. При этом получим Dст= D. Измерив по счетным устройствам глубину погружения каждого из стержней найдём концентрацию неизвестного раствора «Сх» по формуле:

Этот метод используется в визуальных калориметрах погружения.

2. Фотоколориметри еские методы.

Они облегчаются от визуальных тем, что уравнивание оптических плотностей или интенсивностей окраски производят не визуально, а при помощи одного или двух фотоэлементов, включенных по специальной дифференциальной схеме. Условие DCT=DX выполняется когда стрелка измерительного прибора - индикатора устанавливается на «0». Этот метод реализуется в фотоэлектрокалориметрах.

3. Спектрофотометри еские методы.

Используются в аппаратах - спектрофотометрах, которые позволяют построить или автоматически записать спектральную кривую поглощения данного раствора в определенном участке длин волн. Как правило,

записывается зависимость «D» от «λ», или зависимость коэффициента пропускания или поглощения « » от «λ».

Каждый спектрофотометр состоит из оптической и электрической части.

Опти еская - включает источник света (водородная лампа, кварцевая и т.п.), измерительную щель, кюветы с исследуемым раствором.

Электри еская - включает фотоэлемент регистрирующий прошедший через раствор лучистый поток, регистрирующее устройство, позволяющее снять показания или записать кривую поглощения.

Для того, чтобы изменять «L» света, проходящего через раствор, каждый спектрофотометр снабжен монохроматором, разлагающим свет от источника в спектр и соответствующий участок спектра направляется на раствор.