Розділ 1. Визначення властивостей речовин та параметрів навколишнього середовища Лабораторна робота № 11.Визначення коефіцієнта поглинання світла та концентрації домішок у розчинах

Мета роботи – вивчити закономірності поглинання світла середовищами; визначити коефіцієнт поглинання та концентрації домішок у розчинах.

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: явище поглинання світла, закон Бугера, особливості поглинання світла розчинами [1, т. 1, § 6.5; 2, §§ 187, 194 – 196, 225, 259, 261; 4, т. 2, §§ 141, 145, т. 3, §§ 87-90].

Електромагнітна (світлова) хвиля є потоком енергії, який при взаємодії з частинками речовини поглинається, переходячи в енергію коливання електричних зарядів в атомах та молекулах.

Ослаблення інтенсивності світлового потоку відбувається внаслідок цілою низки фізичних процесів, зокрема завдяки розсіюванню та поглинанню світлових квантів. Поглинанням світла називають явище втрати енергії світлових хвиль, які проходять через речовини, внаслідок перетворення енергії хвилі в різні форми внутрішньої енергії речовини.

Внаслідок поглинання інтенсивність світла зменшується. Нехай на пластинку товщиною х падає світло інтенсивністю І_о (рис. 11.1). Виділимо в пластинці прошарок товщиною dx. Тоді спад інтенсивності при проходженні світловим потоком прошарку буде dІ. Величина dІ прямо пропорційна потоку І, що падає на ділянку товщиною dх:

,

де k – коефіцієнт ослаблення світлового потоку, або коефіцієнт поглинання. Знак „ – ” вказує, що інтенсивність зменшується під час проходження світловим потоком прошарку.

Розділивши змінні та інтегруючи, маємо:

,

або

.

Ця залежність має назву закон Бугера. Коефіцієнт поглинання світла kзалежить від довжини хвилі(або частоти) і для різних речовин різний.

Нехай ми маємо монохроматичний потік світла. Його інтенсивність після проходження прошарку розчину товщиною d₁ буде:

. (11.1)

А при товщині прошарку розчину d₂:

. (11.2)

Поділивши (11.1) на (11.2), отримаємо:

. (11.3)

Логарифмуючи вираз (11.3), отримаємо:

.

Звідки:

. (11.4)

Коефіцієнт поглинання можна визначити і простіше, якщо відоме значення І₀. Для цього за допомогою формули (11.1) знайдемо відношення І₁/І₀:

.

Логарифмуючи цей вираз, знайдемо І₀/І₁:

.

Звідси

. (11.5)

Коефіцієнт поглинання розчинів буде залежати від концентрації домішок, які збільшують поглинання та розсіювання світла:

, (11.6)

де С – коефіцієнт пропорційності; n – концентрація домішок в розчині.

Якщо один раз використати розчин з відомою концентрацією домішок n₀, то надалі можна досліджувати розчини з невідомою концентрацією. Згідно з рівнянням (11.6) для відомої концентрації n₀ та невідомої концентрації n_x, відповідно, маємо:

та .

Тоді:

. (11.7)

Опис приладу

Прилад для вимірювання коефіцієнтів поглинання та концентрації домішок в розчинах складається з таких частин (рис. 11.2):

1 – газовий лазер; 2 – джерело живлення лазера; 3 – дзеркало; 4 – кювета з розчином; 5 – приймальне вікно; 6 – мікроамперметр; 7 – регулюючий поляроїд.

Світло від лазера (1), після відбивання від дзеркала (3), попадає через приймальне вікно (5) на фотоелемент. Величину світлового потоку або силу світла І реєструють за допомогою мікроамперметра (6). Інтенсивність початкового світлового потоку (І₀) можна відрегулювати з допомогою поляроїда (7), використовуючи той факт, що промінь лазера є поляризованим світлом.