ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
плотность D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F 0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F , прошедшему через этот слой: D lg (F 0/ F), иначе, О. п. есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D lg (1/t). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзеном;оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях. Особенно широко О. п. пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис.).
О. п. зависит от набора частот n (длин волн l), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной n называется монохроматической О. п. Регулярная (рис. , а) монохроматическая О. п. слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна 0,4343 k n l , где k n- натуральный поглощения показатель среды, l - толщина слоя (k n l k cl - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закона; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k n заменяется на натуральный ослабления показатель). Для смеси нереагирующих веществ или совокупносги расположенных одна за другой сред О. п. этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же О. п. отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической О. п. (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от n) поглощением. Регулярная немонохроматич. О. п. совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы О. п. этих сред. (О приборах для измерения О. п. см. в статьях Денситометр, Микрофотометр, Спектрозональная аэрофотосъёмка, Спектросенситометр, Спектрофотометр, Фотометр.)
Лит.: Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963; Джеймс Т., Хиггинс Дж., Основы теории фотографического процесса, пер. с англ., М., 1954.
Л. Н. Капорский.
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в Медицинских терминах:
величина, характеризующая поглощение света слоем вещества и представляющая собой логарифм отношения интенсивности потока излучения до и после прохождения через поглощающую … - ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
- ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения Fо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре автомобильного жаргона:
(density) - это отношение массы тела к его объему. Выражается в кг/дм3 или в кг/м3. Объем зависит от температуры (в … - ПЛОТНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
(?) масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют … - ПЛОТНОСТЬ
(r), физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объёма. П. неоднородного вещества - предел отношения массы к … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Плотность воды при 4° Ц. = 1, 000013 грамм / сантиметр 3 Для вещества неоднородной П., средняя П. части тела … - ПЛОТНОСТЬ в Современном энциклопедическом словаре:
- ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словарике:
(r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре:
, -и, ж. 1. см. плотный. 2. Масса единичного объема вещества (спец.). П. воды. II прил. плотностный, -ая, -ое … - ПЛОТНОСТЬ
ПЛ́ОТНОСТЬ ТОКА, одна из осн. характеристик электрич. тока; равна электрич. заряду, переносимому в 1 с через единичную площадку, перпендикулярную направлению … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ, степень населённости конкретной терр., численность постоянного населения, приходящаяся на единицу площади (обычно 1 км 2). При ср. … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ случайной величины X , функция р (х) такая, что при любых а и b вероятность неравенства … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ (r), масса единичного объёма в-ва. Величина, обратная удельному объёму. Отношение П. двух в-в наз. относительной П. (обычно П. в-в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА, произведение объёмного коэф. ослабления света средой на геом. длину пути светового луча в среде. Характеризует ослабление света в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ СИЛА, величина, характеризующая преломляющую способность линзы (системы линз); измеряется в диоптриях; О.с. обратна фокусному расстоянию в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, связь посредством эл.-магн. колебаний оптич. диапазона (10 13 - 10 15 Гц), обычно с применением лазеров. Системы О.с. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ, мера непрозрачности в-ва, равная десятичному логарифму отношения потока излучения F 0 , падающего на слой в-ва, к потоку … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ, устройство, в к-ром лучистая энергия от к.-л. источника с помощью системы отражателей фокусируется на небольшую площадку (обычно диам. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ОСЬ: кристалла - направление в кристалле, вдоль к-рого скорость света не зависит от ориентации плоскости поляризации света. Свет, распространяющийся … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ НАКАЧКА, метод создания инверсии населённости в в-ве воздействием интенсивного эл.-магн. излучения более высокой частоты, чем частота требуемого квантового инверсионного … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ, обнаружение удалённых объектов, измерение их координат, а также распознавание их формы с помощью эл.-магн. волн оптич. диапазона. Оптич. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ, то же, что … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ, произведение длины пути светового луча на показатель преломления среды (путь, к-рый прошёл бы свет за то же … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ, различие оптич. свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. О.а. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, свойство нек-рых в-в вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. Оптически активные в-ва бывают двух типов. … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедии Брокгауза и Ефрона:
(densite, Dichtigkeit) ? по самому происхождению слова указывает на некоторое физическое свойство вещества, по которому количество вещества, помещающегося в единице … - ПЛОТНОСТЬ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
пло"тность, пло"тности, пло"тности, пло"тностей, пло"тности, пло"тностям, пло"тность, пло"тности, пло"тностью, пло"тностями, пло"тности, … - ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русской деловой лексики:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русского языка:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в словаре Синонимов русского языка:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Лопатина:
пл`отность, … - ПЛОТНОСТЬ в Полном орфографическом словаре русского языка:
плотность, … - ПЛОТНОСТЬ в Орфографическом словаре:
пл`отность, … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Ожегова:
масса единичного обzема вещества Spec П. воды. плотность <= … - ПЛОТНОСТЬ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(?) , масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ … - ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
плотности, ж. 1. только ед. Отвлеч. сущ. к плотный. Плотность населения. Плотность ткани. Плотность воздуха. Плотность огня (воен.). 2. Масса … - ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре Ефремовой:
плотность 1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его … - ПЛОТНОСТЬ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
- ПЛОТНОСТЬ в Большом современном толковом словаре русского языка:
I ж. отвлеч. сущ. по прил. плотный II ж. Отношение массы тела к его … - ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ в Большом энциклопедическом словаре:
различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. Оптическая анизотропия выражается … - ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У … - СССР. РСФСР, АВТОНОМНЫЕ РЕСПУБЛИКИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
республики Башкирская АССР Башкирская АССР (Башкирия) образована 23 марта 1919. Расположена в Предуралье. Площадь 143,6 тыс. км2. Население 3833 тыс. … - РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА) в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
света, в широком смысле - то же, что и преломление света, т. е. изменение направления световых лучей при изменении …
Цель работы - определение концентрации веществ колориметрическим методом.
I. Термины и определения
Стандартный раствор (ср) - это раствор, содержащий в единице объема определенное количество исследуемого вещества или его химико-аналитического эквивалента (ГОСТ 12.1.016 - 79).
Исследуемый раствор (ир ) - это раствор, в котором необходимо определить содержание исследуемого вещества или его химико-аналитического эквивалента (ГОСТ 12.1.016 - 79).
Градуировочный график - графическое выражение зависимости оптической плотности сигнала от концентрации исследуемого вещества (ГОСТ 12.1.016 - 79).
Предельно допустимая концентрация (ПДК ) вредного вещества - это концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе по 8 часов или при другой продолжительности рабочего дня, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего или последующих поколений (ГОСТ 12.1.016 - 79).
Колориметрия - это метод количественного анализа содержания какого либо иона в прозрачном растворе, основанный на измерении интенсивности его окраски.
II. Теоретическая часть
Колориметрический метод анализа основан на связи двух величин:концентрации раствора и его оптической плотности (степени окрашенности).
Окраска раствора может быть вызвана как присутствием самого иона (MnO 4 - ,Cr 2 O 7 2- ), так и образованием окрашенного соединения в результате химического взаимодействия исследуемого иона с реактивом.
Например, слабоокрашенный ион Fe 3 + дает кроваво-красное соединение при взаимодействии с ионами роданида SCH - , ион меди Cu 2+ образует ярко-синий комплексный ион 2 + при взаимодействии с водным раствором аммиака.
Окраска раствора обусловлена избирательным поглощением лучей света определенной длины волны: окрашенный раствор поглощает те лучи, длина волны которых соответствует дополнительному цвету. Например: дополнительными называют сине-зеленый и красный цвета, синий и желтый.
Раствор роданида железа кажется красным, потому что он поглощает преимущественно зеленые лучи ( 5000Á) и пропускает красные; напротив, раствор зеленой окраски пропускает зеленые лучи и поглощает красные.
Колориметрический метод анализа основан на способности окрашенных растворов поглощать свет в диапазоне волн от ультрафиолетового до инфракрасного. Поглощение зависит от свойств вещества и его концентрации. При этом методе анализа исследуемое вещество входит в состав водного раствора, поглощающего свет, а его количество определяется по световому потоку, прошедшему через раствор. Эти измерения проводятся при помощи фотоколориметров. Действие этих приборов основано на изменении интенсивности светового потока при прохождении через раствор в зависимости от толщины слоя, степени окраски и концентрации. Мерой концентрации является оптическая плотность (D ). Чем выше концентрация вещества в растворе, тем больше оптическая плотность раствора и меньше его светопроницаемость Оптическая плотность окрашенного раствора прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе. Она должна измеряться при длине волны, на которой исследуемое вещество имеет максимальное светопоглощение. Это достигается подбором светофильтров и кювет для раствора.
Предварительный выбор кювет производят визуально соответственно интенсивности окраски раствора. Если раствор интенсивно окрашен (темный), пользуются кюветами с малой рабочей длиной волны. В случае слабо окрашенных растворов рекомендуются кюветы с большей длиной волны. В предварительно подобранную кювету наливают раствор, измеряют его оптическую плотность, включив в ход лучей светофильтр. При измерении ряда растворов кювету заполняют раствором средней концентрации. Если полученное значение оптической плотности составляет примерно 0,3-0,5, данную кювету выбирают для работы с этим раствором. Если оптическая плотность больше 0,5-0,6, берут кювету с меньшей рабочей длиной, если оптическая плотность меньше 0,2-0,3, выбирают кювету с большей рабочей длиной волны.
На точность измерений большое влияние оказывает чистота рабочих граней кювет. Во время работы кюветы берут руками только за нерабочие грани, а после заполнения растворомвнимательно следят за отсутствием на стенках кювет даже мельчайших пузырьков воздуха.
Согласно закону Бугера-Ламберта-Бэра , доля поглощенного света зависит от толщины слоя раствораh , концентрации раствораC и интенсивности падающего светаI 0
где I - интенсивность света, прошедшего через анализируемый раствор;
I- интенсивность падающего света;
h - толщина слоя раствора;
C - концентрация раствора;
Коэффициент поглощения - величина, постоянная для данного окрашенного соединения.
Логарифмируя это выражение, получаем:
(2)
где D - оптическая плотность раствора, является постоянной величиной для каждого вещества.
Оптическая плотность D характеризует способность раствора поглощать свет.
Если раствор совсем не поглощает свет, то D = 0 и I t =I, так как выражение (2) равно нулю.
Если раствор поглощает лучи света полностью, то D равняется бесконечности и I= 0, так как выражение (2) равно бесконечности.
Если раствор поглощает 90 % падающего света, то D = 1 и
I t =0,1, так как выражение (2) равно единице.
При точных колориметрических расчетах изменение оптической плотности не должно выходить за интервал 0,1 - 1.
Для двух растворов различной толщины слоев и концентрации, но одинаковой оптической плотности можно записать:
D = h 1 C 1 = h 2 C 2 ,
Для двух растворов одинаковой толщины, но разной концентрации можно написать:
D 1 = h 1 C 1 иD 2 =h 2 C 2 ,
Как видно из выражений (3) и (4), практически для определения концентрации раствора колориметрическим методом необходимо иметь стандартный раствор, то есть раствор с известными параметрами (C, D).
Определение можно проводить по-разному:
1. Можно уравнять оптические плотности исследуемого и стандартного растворов, изменяя их концентрацию или толщину слоя раствора;
2. Можно измерить оптическую плотность этих растворов и рассчитать искомую концентрацию по выражению (4).
Для реализации первого метода применяют специальные приборы - колориметры. Они основаны на визуальной оценке интенсивности проходящего света и поэтому их точность сравнительно невелика.
Второй метод - измерения оптической плотности - осуществляется с помощью значительно более точных приборов - фотоколориметров и спектрофотометров и именно он используется в данной лабораторной работе.
При работе на фотоколориметре чаще используют прием построения градуировочного графика: измеряют оптическую плотность нескольких стандартных растворов и строят график в координатах D = f(C). Затем измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и по градуировочному графику определяют искомую концентрацию.
Уравнение Бугера - Ламберта - Бэра справедливо только для монохроматического света, поэтому точные колориметрические измерения проводят с применением светофильтров - цветных пластинок, пропускающих лучи света в определенном диапазоне длин волн. Для работы выбирают светофильтр, который обеспечивает максимальную оптическую плотность раствора. Светофильтры, установленные на фотоколориметр, пропускают лучи не строго определенной длины волны, а в некотором ограниченном диапазоне. Вследствие этого погрешность измерений на фотоколориметре не более±3% от веса анализируемого вещества. Строго монохроматический свет применяется в специальных приборах - спектрофотометрах, у которых точность измерений выше.
Точность колориметрических измерений зависит от концентрации раствора, наличия примесей, температуры, кислотности среды раствора, времени определения. Этим методом можно анализировать только разбавленные растворы, то есть такие, для которых зависимость D = f(C) -прямая .
При анализе концентрированных растворов их предварительно разбавляют, а при расчете искомой концентрации вносят поправку на разведение. Однако точность измерений при этом понижается.
Примеси могут влиять на точность измерений тем, что сами дают окрашенное соединение с добавляемым реактивом или затрудняют образование окрашенного соединения исследуемого иона.
Метод колориметрического анализа в настоящее время применяется для проведения анализов в различных областях науки. Он позволяет точно и быстро проводить измерения, используя ничтожно малые количества вещества, недостаточные для объемного или весового анализа.
Тела, пропускающие и поглощающие свет (кроме матовых и мутных сред), характеризуются оптической прозрачностью θ, непрозрачностью О и оптической плотностью D.
Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.
В фотографии оптическая плотность наиболее распространена для выражения спектральных свойств светофильтров и меры почернения (потемнения) негативов и позитивов. Величина плотности зависит от таких одновременно действующих факторов: структуры падающего светового потока (сходящихся, расходящихся, параллельных лучей или рассеянного света) структуры прошедшего или отраженного потока (интегрального, регулярного, диффузного).
Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t).
В определении оптической плотности иногда десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.
Понятие Оптическая плотность введено Р. Бунзеном; оно используется для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях.
Особенно широко оптическая плотность используются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов Оптическая плотность в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения
Различается плотность D для белого света, монохроматическая D λ для отдельных длин волн и зональная D зон, выражающая ослабление светового потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (D c 3 , D 3 3 , D K 3).
Плотность прозрачных сред (светофильтров, негативов) определяется в проходящем свете десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания τ:
D τ = lg(1/τ) = -lgτ
Плотность поверхностей выражается величиной отраженного света и определяется десятичным логарифмом коэффициента отражения ρ:
D ρ = lg (1/ ρ) = - lg ρ.
Величина плотности D = l ослабляет свет в 10 раз.
Интервал оптических плотностей прозрачных сред практически неограничен: от полного пропускания света (D = 0) до его полного поглощения (D = 6 и более, ослабление в миллионы раз). Интервал плотностей поверхностей предметов ограничен содержанием в их отраженном свете поверхностно отраженной составляющей порядка 4-1 % (черная типографская краска, черное сукно). Практически предельные плотности D = 2,1...2,4 имеют черный бархат и черный мех, ограничиваемые поверхностно отраженной составляющей порядка 0,6-0,3 %.
Оптическая плотность связана простыми зависимостями с концентрацией светопоглощающего вещества и со зрительным восприятием наблюдаемого объекта – его светлотой, чем и объясняется широкое использование этого параметра.
Заменив оптические коэффициенты на потоки излучения – упавший на среду (Ф 0) и вышедший из нее (Фτ или Фρ), получим выражения
Чем больше света поглощается средой, тем она темнее и тем выше ее оптическая плотность как в проходящем так и в отраженном свете.
Оптическая плотность может быть определена по световым коэффициентам. В этом случае ее называют визуальной.
Визуальная плотность в проходящем свете равна логарифму величины, обратной световому коэффициенту пропускания:
Визуальная плотность в отраженном свете определяется по формуле
Для нейтрально-серых оптических сред. т.е. для серых светофильтров, серых шкал, черно-белых изображений, оптические и световые коэффициенты совпадают, поэтому совпадают и оптические плотности:
Если известно, о какой плотности идет речь, индекс при D опускают. Описанные выше оптические плотности – интегральные , они отражают изменение мощностных характеристик белого (смешанного) излучения. Если оптическая плотность измеряется для монохроматического излучения, то ее называют монохроматической (спектральной). Она определяется с использованием монохроматических потоков излучения Ф λ по формуле
В приведенных выше формулах лучистые потоки Ф, могут быть заменены на световые потоки F λ , что следует из выражения
Поэтому можно записать:
Для цветных сред интегральные оптическая и визуальная плотности не совпадают, так как они рассчитываются по разным формулам:
Для фотоматериалов с прозрачной подложкой оптическая плотность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D 0 .
Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например, светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Графически характеристика поглощения выражается кривой зависимости оптической плотности D от длины волны белого света λ, нм.
Оптическая прозрачность Θ – характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления: Θ = Ф τ /Ф.
Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием, и характеризует одновременно поглощение и рассеяние. Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.
Оптическую прозрачность определяет кривая спектрального пропускания для длин волн оптического диапазона излучений. Прозрачность объективов для белого света увеличивается при нанесении на линзы просветляющих покрытий. Прозрачность атмосферы зависит от наличия в ней мелких частиц пыли, газа, водяных паров, находящихся во взвешенном состоянии и влияющих на характер освещения и рисунок изображения при съемке. Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.
Оптическая непрозрачность О
– отношение падающего светового потока к прошедшему через слой – величина, обратная прозрачности: О = Ф/Ф τ
= l/Θ. Непрозрачность может изменяться от единицы (полное пропускание) до бесконечности и показывает, во сколько раз уменьшается свет, проходя через слой. Непрозрачность характеризует плотность среды. Переход к оптической плотности выражается десятичным логарифмом непрозрачности:
D
= lg О =lg (l/τ) = - lg τ .
Спектральные отличия тел. По характеру излучения и поглощения светового потока все тела отличаются от ЧТ и условно делятся на селективные и серые, отличающиеся избирательным и неизбирательным поглощением, отражением и пропусканием. К селективным относятся хроматические тела, обладающие какой-либо цветностью, к серым – ахроматические. Термин «серый» характеризуется двумя признаками: характером излучения и поглощения относительно ЧТ и цветом поверхности, наблюдаемым в обиходе. Второй признак широко используется при визуальном определении цвета ахроматических тел – белых, серых и черных, отражающих спектр соответственно белого света от единицы до нуля.
Серое тело обладает степенью поглощения света, близкой к поглощению ЧТ. Коэффициент поглощения ЧТ равен 1, а серого тела – близок к 1 и также не зависит от длины волны излучения или поглощения. Распределение энергии, излучаемой по спектру, у серых тел для каждой данной температуры подобно распределению энергии ЧТ при той же температуре, но интенсивность излучения меньше в несколько раз (рис. 23).
Для несерых тел поглощение избирательно и зависит от длины волны, поэтому они считаются серыми лишь в определенных, узких интервалах длин волн, для которых коэффициент поглощения приблизительно постоянен. В видимой области спектра свойствами серого тела обладают уголь (α = 0,8)< сажа (α = 0,95) и платиновая чернь (α = 0,99).
Селективные (избирательные) тела обладают цветом и характеризуются кривыми зависимости коэффициентов отражения, пропускания или поглощения от длины волны падающего излучения. При освещении белым светом цвет поверхности таких тел определяется по максимальным величинам кривой спектрального отражения илипо минимальной величине кривой спектрального поглощения. Цвет прозрачных тел (светофильтров) определяется в основном кривой поглощения (плотностью D) или кривой пропускания τ. Кривые спектрального поглощения и пропускания характеризуют вещество селективных тел только для белого света. При их освещении цветным светом кривые спектрального отражения или пропускания меняются.
Белый, серый и черный цвет тел – это визуальное ощущение ахроматичности, применимое к отражению поверхностей и пропусканию прозрачных сред. Ахроматичность графически выражается горизонтальной прямой или едва заметной волнистой линией, параллельной оси абсцисс и расположенной на различном уровне оси ординат в световом диапазоне длин волн (рис. 24, а, б, в). Ощущение белого цвета создают поверхности с наибольшим равномерным коэффициентом
отражения по спектру (ρ = 0,9...0,7 – белые бумаги). Поверхности серого цвета имеют равномерный коэффициент отражения р = 0,5...0,05. Черные поверхности имеют ρ = 0,05...0,005 (черное сукно, бархат, мех). Разграничение это приблизительно и условно. Для прозрачных сред (например нейтральных серых светофильтров) характеристика ахроматичности также выражается горизонтальной линией поглощения (плотностью D, показывающей в какой степени ослабляется белый свет).
Светлота поверхности – это относительная степень зрительного ощущения, возникающего в результате действия цвета отраженного излучения на три цветоощущающих центра зрения. Графически светлота выражается суммарной плотностью этого излучения в диапазоне белого света. В общей светотехнике светлота неправильно используется для зрительной количественной оценки различия двух смежных поверхностей, различающихся по яркости.
Светлота белой поверхности, освещенной белым светом. В качестве 100 %-ной принимается светлота идеально белой поверхности (покрытой сернокислым барием или магнием) с ρ = 0,99. При этом характеризующая ее площадь на графике (рис. 24, а) ограничивается линией светлоты на уровне ρ = 1 или 100 %. На практике белыми считаются поверхности, светлота которых соответствует 80-90 % (ρ = 0,8...0,9). Линия светлоты серых поверхностей приближается к оси абсцисс (рис. 24, е), поскольку они отражают часть белого света. Линия светлоты черного бархата, практически не отражающего света, совмещается с осью абсцисс.
Светлота цветных поверхностей, освещенных белым светом, определяется на графике площадью, ограниченной кривой спектрального коэффициента отражения. Поскольку бесформенная площадь не может отразить количественную степень светлоты, она переводится в площадь прямоугольника с основанием на оси абсцисс (рис. 24, г, д, е). Высота прямоугольника определяет светлоту в процентах .
Светлота цветных поверхностей, освещенных цветным светом , выражается на графике площадью, ограниченной результирующей кривой, полученной в результате перемножения спектральной характеристики освещения на спектральную характеристику отражения, поверхности. Если цвет освещения не совпадает с цветом поверхности, то отраженный свет изменяет свой цветовой тон, насыщенность и светлоту.
ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОМОЩИ КОНЦЕНТРАЦИОНОГО
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА КФК– 2
Цель работы : изучить явление ослабления света при прохождении через вещество и фотометрические характеристики вещества, изучить устройство концентрационного фотоэлектрического калориметра КФК-2 и методику работы с ним, определить оптическую плотность и концентрацию окрашенного раствора с помощью КФК-2.
Приборы и принадлежности : калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК – 2, исследуемый раствор, набор растворов стандартной концентрации.
Теория работы
При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе. Световые электромагнитные волны приводят в колебательное движение как свободные электроны вещества, так и связанные электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (оптические электроны), которые излучают вторичные волны с частотой падающей электромагнитной волны. Вторичные волны образуют отраженную волну и волну, проникающую внутрь вещества.
В веществах с высокой плотностью свободных электронов (металлах) вторичные волны порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95 % интенсивности падающей волны. Та же часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем сильное поглощение, и энергия световой волны превращается в тепловую. Поэтому металлы сильно отражают падающий на них свет и практически непрозрачны.
В полупроводниках плотность свободных электронов меньше, чем в металлах, и они слабее поглощают видимый свет, а в инфракрасной области вообще прозрачны. Диэлектрики поглощают свет избирательно и прозрачны только для определенных участков спектра.
В общем случае при падении света на вещество падающий световой поток Ф 0 можно представить в виде суммы световых потоков:
где Ф r – отраженный, Ф a – поглощенный, Ф t – прошедший через вещество световой поток.
Явление взаимодействия света с веществом описывается безразмерными величинами, которые называются коэффициентами отражения , поглощения и пропускания . Для одного и того же вещества
r + a + t = 1. (2)
Для непрозрачных тел t = 0; для идеально белых тел r = 1; для абсолютно черных тел a = 1.
Величина 
называется оптической плотностью вещества.
Коэффициенты r, a, t характеризуют фотометрические свойства вещества и определяются фотометрическими методами.
Фотометрические методы анализа широко применяются в ветеринарии, зоотехнии, почвоведении, технологии материалов. При исследовании веществ, растворенных в практически непоглощающем растворителе, фотометрические методы основаны на измерении поглощения света и на зависимости между поглощением и концентрацией растворов. Приборы, предназначенные для абсорбционного (абсорбция – поглощение) анализа прозрачных сред, называются спектрофотометрами и фотокалориметрами. В них при помощи фотоэлементов сравниваютcя окраски исследуемых растворов со стандартным.
Зависимость между поглощением света окрашенным раствором и концентрацией вещества подчиняется объединенному закону Бугера – Ламберта – Бера:
, (3)
где I 0 – интенсивность потока света, падающего на раствор; I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор; c - концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина поглощающего слоя в растворе; k - коэффициент поглощения, который зависит от природы растворенного вещества, растворителя, температуры и длины световой волны.
Если с выражено в моль/л, а l - в сантиметрах, то k становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается e l , следовательно:
. (4)
Прологарифмировав (4), получим:
Левая часть выражения (5) является оптической плотностью раствора. С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера примет вид:
т. е. оптическая плотность раствора при определенных условиях прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине поглощающего слоя.
На практике наблюдаются случаи отклонения от объединенного закона поглощения. Это происходит потому, что некоторые окрашенные соединения в растворе претерпевают изменения за счет процессов диссоциации, сольватации, гидролиза, полимеризации, взаимодействия с другими компонентами раствора.
Вид графика зависимости D = f(c) представлен на рис. 1.
Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. оптическая плотность окрашенного раствора различна для различных длин волн па- дающего света. Измерение оптической плотности с целью определения концентрации раствора проводят в области максимального поглощения, т. е. при длине волны
падающего света близкой к l max .
Для фотометрического определения концентрации раствора сначала строят калибровочный график D = f(c ). Для этого готовят серию стандартных растворов. Затем измеряют величины их оптической плотности и строят график зависимости
D = f(c) . Для его построения необходимо иметь 5 – 8 точек.
Экспериментально определив оптическую плотность исследуемого раствора, находят ее значение на оси ординат калибровочного графика D = f(c ), а затем на оси абсцисс отсчитывают соответствующее значение концентрации с х.
Используемый в работе калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК–2 предназначен для измерения отношения потоков света на отдельных участках длин волн в диапазоне 315 - 980 нм, выделяемых светофильтрами, и позволяет определять коэффициенты пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также концентрации веществ в растворах методом построения градуировочных графиков D = f(c) .
Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки - полный I 0 и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков.
Внешний вид фотокалориметра КФК–2 представлен на рис. 2. Он включает в
 |
себя источник света, оптическую часть, набор светофильтров, фотоприемники и регистрирующий прибор, шкала которого откалибрована на показания светопропускания и оптической плотности. На лицевой панели фотокалориметра КФК – 2 имеются:
1 - микроамперметр со шкалой, оцифрованной в величинах коэффициента про-
пускания Т и оптической плотности D ;
2 - осветитель;
3 - ручка переключения светофильтров;
4 - переключатель кювет в световом пучке;
5 - переключатель фотоприемников «Чувствительность»;
6 - ручки «Установка 100»: «Грубо» и «Точно»;
7 - кюветное отделение.
Порядок выполнения работы
1. Включить прибор в сеть. Прогреть в течение 10 – 15 мин.
2. При открытом кюветном отделении установить стрелку микроамперметра на «0»
по шкале «Т».
3. Установить минимальную чувствительность, для этого ручку «Чувствитель-
ность» переключить в положение «1», ручку «Установка 100» «Грубо» переключить в крайнее левое положение.
4. В световой пучок поместить кювету с растворителем или контрольным раство-
ром, по отношению к которому производится измерение.
5. Закрыть крышку кюветного отделения.
6. Ручками «Чувствительность» и «Установка 100» «Грубо» и «Точно» установить
отсчет 100 по шкале фотокалориметра. Ручка «Чувствительность» может находиться в одном из трех положений «1», «2», или «3».
7. Поворотом ручки «4» кювету с растворителем заменить кюветой с исследуемым
раствором.
8. Снять отсчет по шкале микроамперметра, соответствующий коэффициенту про-
пускания исследуемого раствора в процентах, по шкале «Т» или по шкале «Д» - в единицах оптической плотности.
9. Измерения провести 3–5 раз и окончательное значение измеряемой величины оп-
ределить как среднее арифметическое из полученных значений.
10. Определить абсолютную погрешность измерения искомой величины.
Задание № 1. Изучение зависимости оптической плотности от длины
Волны падающего света
1.1. Для стандартного раствора определить оптическую плотность при различных частотах падающего света.
1.2. Данные занести в таблицу 1.
1.3. Построить график зависимости оптической плотности от длины волны l па-
дающего света D = f(l) .
1.4. Определить l и номерсветофильтра для D max .
Таблица 1
Задание № 2. Проверка зависимости оптической плотности от толщины
Поглощающего слоя
2.1. Для стандартного раствора, используя светофильтр с l D для кювет различного размера.
2.2. Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
2.3. Построить график зависимости D = f(l) .
Задание № 3. Построение калибровочного графика и определение концент-
Рации неизвестного раствора
3.1 . Для серии стандартных растворов известной концентрации, используя све-
тофильтр с l max (см. задание № 1), определить D .
3.2. Данные измерений занести в таблицу 3.
Таблица 3
3.3. Построить калибровочный график D = f(с) .
3.4. По графику D = f(с) определить концентрацию неизвестного раствора.
Контрольные вопросы
1. Явление ослабления света при прохождении через вещество, механизм поглоще-
ния для разных типов вещества.
2. Параметры, характеризующие фотометрические свойства вещества.
3. Объясните сущность фотометрических методов анализа.
4. Сформулируйте объединенный закон поглощения Бугера–Ламберта–Бера.
5. Каковы причины возможных отклонений свойств растворов от объединенного за-
кона поглощения?
6. Молярный коэффициент поглощения, его определение и факторы, от которых он
7. Как осуществляется выбор длины волны поглощаемого излучения при фотокало-
риметрических измерениях?
1. Как строится калибровочный график?
2. Объясните устройство и принцип работы фотокалориметра КФК–2.
3. Где и для чего применяется абсорбционный анализ?
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 24, § 187.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XХ,
3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 50.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–03