Цель работы:

1. Изучить законы поглощения света.

2. Измерить и обработать спектры поглощения светофильтров.

ПОРЯДОК ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

I. Изучить и законспектировать в рабочую тетрадь следующие вопросы: 1) Законы поглощения света.

2) Спектры поглощения и их виды.

Литература:

1) Методическое пособие к лабораторному практикуму по курсу общей физики для студентов всех специальностей, ч.3. Оптика. Атомная физика, 1985,

с.45-50.

2)Т.И. Трофимова. Курс физики. М. "Высшая школа", 1985,§188.

3)И.В.Савельев Курс общей физики, 1978, т.2, §145 .

II. Используя указания, имеющиеся на рабочем месте в лаборатории, выполнить работу, данные занести в рабочую тетрадь.

III.К зачету подготовить отчет о работе и ответить на следующие вопросы:

1) Какому закону подчиняется поглощение света

2)Закон Бугера. Вывод закона Бугера.

3)Физический смысл коэффициента поглощения.

4)Закон Бугера-Ламберта-Бера.

5)Спектр поглощения. Виды спектров поглощения.

6)Почему спектр поглощения зависит от природы вещества?

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Поглощение света заключается в уменьшении энергии светового потока, проходящего через вещество, вследствие превращения ее в различные формы внутренней энергии вещества.

Поглощение света описывается законом, который был экспериментально установлен в 1729 году французский физиком Бугером и впоследствии теоретически выведен немецким ученым Ламбертом в 1760 году. Дадим вывод закона. Пусть на поглощающий свет толщиной l падает монохроматический световой поток интенсивности Io (рис 1). По предположению Ламберта убыль

Интенсивности dI x в слое толщиной dx выражается формулой

где I x - интенсивность светового потока, падающего на слой dx .

Рис. 1.

Коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом поглощения. Разделив переменные в (1) и взяв интеграл

∫dI x = −k ∫dx ,

I x 0lIoI

получим

I = Ioe−kl . (2)

Согласно (2) интенсивность света I при прохождении через поглощающий слой убывает по экспоненциальному закону. Соотношение (2) называют

законом Бугера-Ламберта. Закон строго справедлив для монохроматических световых потоков слабой интенсивности.

Коэффициент поглощения k (его размерность [k]= м−1, но на практике чаще

используют [k]= см−1) определяется химической природой поглощающего вещества, его состоянием. Чем больше коэффициент поглощения ,тем сильнее поглощается свет. Согласно (2), при l = 1/ k интенсивность света уменьшается в e = 2,72 раза.

При поглощении света веществом, растворенным в прозрачном растворителе, поглощение пропорционально числу поглощающих молекул на единицу пути светового луча, так как коэффициент поглощения k пропорционален концентрации молекул в растворе c :

k = α c , (3)

где α - молекулярный коэффициент поглощения, В соответствии (3), называемом законом Бера, предполагается что α не

зависит от концентрации раствора и определяется лишь свойствами молекул поглощающего вещества.

Это условие выполняется для небольших концентраций, при которых наличие соседних молекул не меняет свойства данной молекулы. При значительных концентрациях раствора начинает сказываться взаимное влияние молекул, и тогда закон Бера перестает выполняться.

Подставив значение k из (3) в равенство (2), получим

I = Ioe−α c l . (4)

Зависимость, выражаемая равенством (4), называется законом Бугера-

Ламберта-Бера.

Объяснить поглощение света веществом можно как в рамках электронной теории вещества, так и в рамках квантовой механики. Согласно электронной теории, энергия световой волны затрачивается на возбуждение вынужденных колебаний электронов в атомах и молекулах данного вещества. Наиболее сильное поглощение наблюдается в спектральной области вблизи частот собственных колебаний, которые различны для разных веществ.

В квантовой механике поглощение света объясняется вынужденными переходами между уровнями энергии атомов или молекул вещества (рис. 2). Частота поглощаемого фотона определяется соотношением

ν = E2 − E1 . (5) h

Таким образом, коэффициент поглощения вещества зависит от частоты падающего светового потока. Это означает, что свет различных частот (длин

волн) поглощается по-разному, т. е. поглощение света носит селективный характер.

Рис. 2.

Зависимость коэффициента поглощения ( k либо α ) от частоты (длины волны) света называется спектром поглощения. Вид спектра поглощения определяется схемой энергетических уровней, а, следовательно, и природой поглощающего вещества. Так, спектр поглощения разреженных атомарных газов является линейчатым, т. е. представляет собой совокупность дискретных линий разной интенсивности. Частоты линий поглощения определяются строением системы энергетических уровней внешних электронов атома.

У изолированных молекул (разреженные молекулярные газы) система электронных энергетических уровней дополняется системой колебательных и вращательных уровней, соответствующих колебаниям атомов в молекуле и вращению молекулы как целого. Этим объясняется наличие в спектрах поглощения молекул большого числа тесно расположенных и определенным образом сгруппированных линий, которые при средней разрешающей способности прибора наблюдаются как отдельные полосы поглощения. Такой спектр поглощения называется полосатым.

Спектры поглощения газов при высоких давлениях, твердых тел и жидкостей являются сплошными. Они состоят их ряда полос поглощения, ширина которых гораздо больше, чем в случае изолированных молекул.

Некоторые вещества обладают сильным и малоселективным поглощением во всем оптическом диапазоне (например, металлы).

Поглощенная веществом энергия световых волн превращается в другие виды энергии. Поглощение света может приводить к возбуждению атомов или молекул, ионизации атомов, нагреванию вещества, фотохимическим процессам и т. д. Это определяет необходимость измерения спектров поглощения вещества для решения задач в науке и технике. Отметим некоторые из них.

Характеристичность спектров поглощения (зависимость спектров поглощения от природы вещества) позволяет использовать их для проведения качественного и количественного спектрального анализа.

Спектр поглощения определяет цвет прозрачных тел. Измерение спектров поглощения необходимо при производстве светофильтров с заданными спектральными характеристиками.

Принцип работы большинства приемников электромагнитного излучения основан на поглощении энергии электромагнитной волны и преобразовании ее в другие виды энергии. Спектр поглощения рабочего вещества фотоприемника определяет его спектральную область чувствительности.

В данной работе исследуются спектры поглощения двух светофильтров различных цветов.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 3.

Рис.3. 1- галогенная лампа накаливания в защитном корпусе с конденсором; 2- предметный столик; 3- универсальный малогабаритный монохроматор (МУМ); 4-фотоприемник; 5-блок питания установки; 6-цифровой вольтметр В7-22А; 7- исследуемые светофильтры.

Световой поток галогенной лампы накаливания 1 через конденсор попадает на входную щель 3-1 универсального малогабаритного монохроматора 3. Далее свет посредством отражения от зеркала 3-2 заполняет вогнутую дифракционную решетку 3-3 (рис. 4), которая исполняет роль фокусирующего и диспергирующего элемента. Дифрагированное решеткой излучение, отраженное зеркалом 3-4. направляется на выходную щель 3-5 монохроматора, а затем на фотоприемник 4. Исследуемые светофильтры 7 устанавливаются на предметный столик 2 перед выходной щелью монохроматора. Регистрация

интенсивности излучения в относительных единицах осуществляется по шкале цифрового вольтметра 6.

Рис. 4. Ход светового потока внутри МУМ.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Внимание: при работе на установке необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

1. Не разрешается работать с прибором с повреждённой изоляцией наружных соединительных шнуров.

2.Не прикасаться к корпусу галогенной лампы, которая нагревается

при включении.

3.По окончании работы привести оборудование в исходное положение.

1) Включить тумблером "СЕТЬ'' вольтметра 6 и блока питания 5; тумблер "ФОТОЭЛЕМЕНТ" блока питания 5 переключить в верхнее положение.

2)Рукояткой "УСТАНОВКА 0" на блоке фотоприемника 4 установить минимальное показание вольтметра. При этом вольтметр должен быть установлен на предел измерения 20 В постоянного тока.

3)С помощью барабана монохроматора 3 установить длину волны 430 нм.

4)Включить источник излучения 1, установить тумблер "НАКАЛ" блока питания 5 в положение "НЕДОКАЛ"

5)Изменяя с помощью барабана монохроматора длину волны, измерить по шкале вольтметра значения 10 в спектральном интервале 430-600 нм с шагом 10 нм. Данные занести в таблицу 1 в столбец Io .

6)Установить на предметный столик 2 один из исследуемых светофильтров. Вписать его цвет в таблицу. Измерить и занести в таблицу в столбец I показания вольтметра в спектральном интервале 430-600 нм с шагом 10 нм.

7)Повторить измерения по п.6 для другого светофильтра.

Полученные значения k занести в таблицу 1.

10) Построить спектры поглощения, откладывая на оси абсцисс длину волны, а по оси ординат соответствующие коэффициенты поглощения.

11) Определить длины волн максимумов полос поглощения обоих светофильтров.