Лабораторная работа №4

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЛЕСКОМЕР ФБ-2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗЕРКАЛЬНОГО И ДИФФУЗИОННОГО ОТРАЖЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТОВОГО ПОТОКА

Цель работы: научиться определять коэффициенты зеркального и диффузного отражения направленного светового потока от поверхностей разного типа.

Приборы и материалы: Блескометр фотоэлектрический ФБ-2; эталоны (темно-увиолевое и молочно-белое стекла); поверхности (лакокрасочное покрытие стола, кожа тёмная, лист финской бумаги и др.).

Т еоретическая часть.

а) б)

Рисунок 1. а.–Зеркальное (френелевское) отражение

б.–Диффузное отражение и рассеяние

В месте раздела двух сред происходит ярко выраженное изменение направления падающей световой волны, часть энергии поглощается, часть отражается, часть рассеивается. Для разных сред эти величины различны, и зависят от природы среды (диэлектрической проницаемости), длины волны и состояния поверхности. Рассмотрим падение луча из воздушной среды на некую твердую поверхность. В зависимости от характера пространственного распределения отраженного телом светового потока (индикатрисы отражения) различают зеркальный и диффузный типы отражения. Схема зеркального (френелевского) отражения представлена на (рис. 1.а). Индикатриса диффузного отражения приведена на (рис. 1.б).

Каждому типу отражения соответствуют свои особенности отражающей поверхности.

Зеркальное отражение:

Зеркальное отражение реализуется, если шероховатость поверхности мала по сравнению с длиной световой волны: полированное с серебреной поверхностью стекло, полированные металлы (хром, алюминий). Их коэффициенты отражения лежат в диапазоне 6585% (соответственно). Основное отличие диффузного отражения от зеркального заключается в соотношении размеров телесного угла для падающего и отраженного световых потоков. При падении естественного света с интенсивностью I₀ на диэлектрическое зеркало интенсивность зеркального отражения I_R по теории Френеля равна (рис. 1.а.):

,

а интенсивности взаимно ортогональных поляризованных компонент отраженного луча, в соответствии с формулами Френеля, равны:

,

где I_ - интенсивность световых колебаний в отраженном луче, совершающихся в направлении, перпендикулярном к плоскости падения света;

I_|| - интенсивность световых колебаний в отраженном луче, совершающихся в направлении, параллельном плоскости падения света.

Диффузное отражение.

В оптической спектроскопии прозрачных в видимой и УФ–области объектов (растворов, монокристаллов, стекол, спрессованных в прозрачные таблетки порошков) исходная интенсивность монохроматического излучения I_исх и регистрируемая после его взаимодействия с веществом I_рег связаны соотношением:

, (1)

где I_погл и I_отр – поглощения и отражения объектом части излучения соответственно. Аналогично этому в спектроскопии диффузного отражения (рис. 2)

(2)

Здесь Ф_исз – интенсивность отраженного света от “абсолютно” отражающего вещества (оптического эталона); Ф_{диф.отр} – часть излучения, диффузно отраженного от исследуемого объекта; Ф_погл – поглощение образца; Ф_отр – зеркальная составляющая отраженного излучения.

Р исунок 2. – Схема отражения света дисперсным твердым

веществом.

В уравнениях (1) и (2) члены I_отр и Ф_отр представляют собой составляющие, в определенных условиях значительно искажающие спектры, однако при правильной съемке в большинстве случаев мало существенные. В качестве оптических эталонов обычно используют хорошо отражающие в рабочем диапазоне длин волн белые порошки например вышеупомянутые SiO₂, MgO, BaSO₄.

Функцией отражения исследуемого образца является нормированная величина, называемая коэффициентом диффузного отражения

(3)

Соответственно поглощающие свойства объекта описываются разностью (1-R_D). Оптический спектр в большинстве случаев представляют в виде распределения по  коэффициентов R_D или (1-R_D). Однако наиболее общим, описывающим случаи бесконечно толстого непрозрачного слоя является уравнение Кубелки–Мунка:

,

где F – функция поглощения (функция Кубелки-Мунка). Сравнение спектров стекол в проходящем свете и их спектров диффузного отражения в координатах F=f() иногда показывает их полное совпадение. В области очень малых концентраций (10^-4мол. %) исследуемого вещества в непоглощающем разбавителе, а также в области малых степеней заполнения поверхности абсорбированным молекулами, дающими сигнал в спектре, функция Кубелки – Мунка изменяется линейно от молярной концентрации примеси (рис. 3), т.е. она может быть использована для фотометрического определения концентрации.

Рисунок 3. – Поглощение в спектрах диффузного отражения как

функция молярного содержания примеси в

исследуемом образце.

Аналогия спектров диффузного отражения со спектрами поглощения и отличие их от спектров зеркального отражения связаны с механизмом отражения света от порошкообразных кристаллов. В общем случае при отражении имеются две компоненты.

1. Зеркальная компонента, возникающая в результате отражения от поверхности без прохождения через кристалл, описывается формулой Френеля (при нормальном падении света):

,

где – показатель поглощения; К – линейный коэффициент экстинкции ( – I₀- интенсивность падающего света, I- интенсивность света вышедшего из образца, d – толщина образца. D – оптическая плотность); n – показатель преломления;  – длина волны.

2. Диффузная компонента, возникающая в результате поглощения света веществом и появления его на поверхности частиц после многократного рассеяния, описываемая выражением

где R_D – отражение относительно не поглощающего стандарта; К – линейный коэффициент экстракции; S – коэффициент рассеяния, практически не зависящий от длины волны и связанный в основном с размером зерен поверхности.

Получаемая экспериментально в спектрофотометрах величина состоит при снятии спектров отражения из этих двух компонент. В сильно поглощающих кристаллах (с металлическим блеском) преобладает зеркальная компонента, в сравнительно слабо поглощающих – диффузная компонента. При получении спектров диффузного отражения принимаются меры для уменьшения зеркальной компоненты (например, с помощью использования скрещенных поляризатора и анализатора).

Ордината в спектрах диффузного отражения представляет собой так называемую функцию Кубелки - Мунка:

Поскольку коэффициент рассеяния S не зависит от длины волны, положения минимумов в спектрах диффузного отражения совпадают с максимумами оптической плотности в спектрах поглощения

Относительное диффузное отражение R_D связано с коэффициентом поглощения, умноженным на средний диаметр зерен поверхности, можно оценить значение К, а поскольку К=С ( , где  - молярный коэффициент поглощения, С – концентрация в (моль/л)), то в конкретных системах можно примерно оценить зависимость от концентрации.

При диффузном отражении телесный угол, в котором распространяется световой поток после отражения, превышает телесный угол падающего света. Этот тип отражения характерен для шероховатых поверхностей. Свет, падающий на них, в одном направлении отражается от каждой точки по законам Френеля, но вследствие различных углов падения для различных точек поверхности различны и углы отражения. Известны следующие типы технических (специально получаемых) отражающих поверхностей: точечная, сетчатая и линейная (рифленая). При равномерном диффузном отражении (рис. 4.а.) отраженный поток распространяется в телесном угле 2 стерадиан. Пространственное распределение силы света в этом случае имеет форму сферы, расположенной по одну сторону от отражающей поверхности, касательной к ней в точке падения света. Сила отраженного света по нормали к отражающей поверхности будет максимальной j_max, а для всех остальных направлений  j_=j_maxcos(идеальный рассеиватель). Распределение отраженного потока не зависит от угла падения света, а яркость одинакова во всех направлениях. Этому типу отражения соответствуют так называемые равномерные излучатели (ватманская бумага, белая клеевая покраска, молочное рассеивающее стекло). Световой поток, излучаемый при равномерном диффузном отражении ₀=jmax, коэффициент отражения R=Ф₀/Ф=L/E₀, где Ф₀ – падающий световой поток, L - яркость поверхности, (кд/м²); Е₀ - освещенность поверхности (лк). Абсолютно белой рассеивающей поверхностью называется поверхность, обладающая равномерно диффузным типом отражения и имеющая R=1. К ней близки окись магния (R=98%), алебастр (R=92%), белая клеевая покраска (R=80%).

При направленно диффузном отражении (рис.4.б) имеет место увеличенная концентрация светового потока в некотором телесном угле, направление оси которого определяется законами зеркального отражения. Этим типом отражения обладают частично матированные поверхности металлов.

В отличие от поверхностей с равномерно диффузным отражением (матовой поверхностью), поверхности с зеркальным и направленно диффузным отражением дают блики, т.е. яркие участки поверхности, наблюдаемые под определенным углом.

Существует и тип смешанного отражения, характерный наличием как зеркального, так и диффузного отражения. Такой тип отражения дает, например, фарфоровая эмаль.

Отраженный реальными поверхностями линейно поляризованный свет всегда становится в той или иной степени эллиптически поляризованным с одновременным поворотом эллипса поляризации относительно направления поляризации падающего света.

а) б)

Рисунок 4. - Индикатрисы диффузного отражения:

Равномерно диффузное (a) и направленно диффузное (б); n– направление падающего луча. О–точка падения луча; j_max, j_-сила отраженного света по нормали к поверхности и под углом  к ней.