57

Лабораторная работа № 20

Колориметрические измерения оптической плотности поглощения молекулярного красителя

Цель работы: Измерение пропускания и оптической плотности растворов красителей по точкам в ближней ультрафиолетовой (315-400 нм) и видимой областях спектра (400-760 нм) и ближней инфракрасной области (760-980 нм).

Оборудование: Колориметр фотоэлектрический компенсационный КФК-2, вода, водные растворы разных цветов.

Краткие теоретические сведения

При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых электронами; частично же она переходит в энергию движе­ния атомов, т. е. во внутреннюю энергию вещества. Поэтому интенсивность света при прохождении через веще­ство уменьшается — свет поглощается в веществе. Вынужденные колебания электронов, а следовательно, и погло­щение света становятся особенно интенсивными при ре­зонансной частоте.

Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону Бугера:

(1)

Здесь — интенсивность света на входе в поглощающий слой,l — толщина слоя, к — постоянная, завися­щая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения.

Продифференцировав соотношение (1), получим

₍₂₎

Из этого выражения следует, что убыль интенсивности на пути dl пропорциональна длине этого пути и значению са­мой интенсивности. Коэффициентом пропорциональности служит коэффициент поглощения.

Из формулы вытекает, что при l = 1/к интенсивность I оказывается в е раз меньше, чем . Таким образом, коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсив­ность света убывает в е раз.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны све­та (или частоты). У вещества, атомы (или молекулы) которого практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок к нулю и лишь для очень узких спектральных областей (шириной в несколько сотых ангстрема) обнаруживает резкие мак­симумы. Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов? Которые попадают в видимую и ультрафиолетовую области спектра. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри мо­лекул. Поскольку массы атомов в десятки тысяч раз больше массы электрона, молекулярные частоты намного меньше атомных – они находятся в инфракрасной области спектра.

В практических случаях для оценки поглощения пользуются параметрами T – пропускание (прозрачность) и D – оптическая плотность (через десятичный логарифм):

; (3)

В практической работе, как правило, используется закон Бугера в форме:

, (4)

где – коэффициент экстинкции вещества, л/мольсм;

с – концентрация вещества, моль/л;

l – толщина слоя, см.

или в логарифмической форме, когда оптическая плотность линейно зависит от концентрации:

(5)

Прибор КФК-2 предназначен для измерения в отделенных участках диапазона длин волн 315–980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов жидкости. Прибор обеспечивает измерение светопропускания Т от 100 % до 1 % и оптической плотности D от 0 до 2 с абсолютной погрешностью не более ±1 %. Спектральный диапазон работы колориметра выделяется одним из одиннадцати светофильтров с фиксированными длинами волн максимального пропускания. Характеристики светофильтров представлены в табл. 1.

Таблица 1

Светофильтры колориметра

Номер фильтра	Маркировка светофильтра на панели прибора	Длина волны соответствующая максимуму пропускания, нм	Ширина полосы пропускания, нм
1	315	3155	3515
2	364	3645	2510
3	400	4005	4510
4	440	44010	4015
5	490	49010	3510
6	540	54010	2510
7	590	59010	2510
8	670	6705	205
9	750	7505	205
10	870	8705	255
11	980	980	255

Принцип измерения коэффициента пропускания в приборе КФК-2 состоит в том, что на фотоприёмники направляются поочередно световые потоки — полный Ф₀ и прошедший через исследуемую среду Ф и определяется отношение этих потоков Ф/Ф₀. Реализуется этот принцип следующим образом (рис. 1). Свет от источников ИС, преобразованный узлом формирования светового луча УФЛ направляется через кюветное отделение К на фоторегистратор ФП1, работающий в области спектра 315—540 нм, и фоторегистратор ФП2, работающий в области спектра 590—980 нм.

Рис. 1. Функциональная схема колориметра КФК-2

При помощи коммутирующеустройства УК фоторегистраторы избирательно подключаются ко входу усилителя постоянного тока УПТ с показывающим прибором ИП на выходе. Усиленный сигнал, пропорциональный светопропусканию Т (оптической плотности D) раствора, измеряется стрелочным прибором ИП, шкала которого отградуирована в процентах светопропускания Т и единицах оптической плотности D раствора.

Коэффициент светопропускания исследуемого раствора определяется по отношению к растворителю (нулевому раствору). Поэтому вначале производят градуировку шкалы Т, т. е. устанавливают 100 % светопропускания для растворителя. С этой целью в световой поток помещают кювету, содержащую растворитель, и с помощью элементов регулировки электрической схемы прибора устанавливают такую чувствительность колориметра, при которой стрелка ИП установится на делении «100» шкалы Т.

Для определения светопропускания раствора кювету с растворитель заменяют кюветой, содержащей исследуемый раствор. Отклонение стрелки регистрирующего прибора в этом случае характеризует коэффициент светопропускания (оптическую плотность) раствора.

При градуировке шкалы возникает необходимость установки электрического нуля прибора, так как регулировка нуля влияет на регулировку конца шкалы. Регулировку нуля осуществляют соответствующим потенциометром электрические схемы прибора при перекрытом шторкой ШТ световом потоке. Шторка вводится в световой поток при открывании крышки кюветного отделения.

Учитывая при анализе спектральную характеристику светопропускания исследуемого раствора, в оптический канал вводят соответствующий светофильтр СФ (315, 364, 400, 490, 540, 590, 670, 750, 870, 980 нм).

Оптическая схема. Нить лампы 1 (рис. 2) конденсором изображается и плоскости диафрагмы 3. Это изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость, расположенную на расстояние 300 мм от объекта с 10-кратным увеличением. Сформированный световой пучок проходит через теплозащитный светофильтр 6, нейтральный светофильтр 7, цветной светофильтр 8, кюветное отделение 10, защищенное стеклами 9 и 11, и поступает на пластинку 15, которая делит световой поток на два. Примерно 10 % светового потока направляется на фоторегистратор 14 (фотодиод ФД-24к) и 90 % на фоторегистратор 17 (фотоэлемент Ф-26). Для уравнивания фототоков, снимаемых с фоторегистратора 14 при работе с различными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 13 из цветного стекла.

Рис. 2. Оптическая схема колориметра КФК-2

Матовые стекла 12 и 16 обеспечивают равномерность освещения фоторегистраторов.

Рабочая длина кювет в приборе–50, 30, 20, 10 и 5 мм.