Оптическая плотность
D
, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения (См. Поток 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 коэффициент у слоя вещества: D
= lg (1/τ). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзен ом;
оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в Светофильтр ах 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 (См. Денситометрия). Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис.
). О. п. зависит от набора частот ν (длин волн λ), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной ν 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
ν l
, где k
ν
- натуральный Поглощения показатель среды, l
- толщина слоя (k
ν l
=
κcl
- показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закон а; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k
ν 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 ν) 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.
Типы оптической плотности слоя среды в зависимости от геометрии падающего и способа измерения прошедшего потока излучения (в принятой в СССР сенситометрической системе): а) регулярную оптическую плотность D II определяют, направляя на слой по перпендикуляру к нему параллельный поток и измеряя только ту часть прошедшего потока, которая сохранила первоначальное направление; б) для определения интегральной оптической плотности D ε перпендикулярно к слою направляется параллельный поток, измеряется весь прошедший поток; в) и г) два способа измерения, применяемые для определения двух типов диффузной оптической плотности D ≠ (падающий поток - идеально рассеянный). Разность D II - D ε служит мерой светорассеяния в измеряемом слое.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
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.
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
Оптическая плотность D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей.
, где
e - коэффициент поглощения (экстинкции) светового потока. Зависит от природы вещества и длины волны света.
С – концентрация вещества в растворе в м/л.
l – толщина слоя светопоглощающего раствора.
Оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества в растворе и толщине слоя раствора. Другими словами, при определённой толщине слоя раствора, оптическая плотность будет тем больше, чем больше концентрация вещества в растворе. Отсюда следует, что, определяя оптическую плотность раствора, можно напрямую определять концентрацию вещества в растворе. При помощи современной техники оптическая плотность может быть измерена очень точно. Увеличивая толщину слоя l можно измерять очень малые концентрации веществ.
Фотоколориметр - оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше в них концентрация с окрашивающего вещества. В отличие от спектрофотометра, измерения ведутся в луче не монохроматического, а в полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром. Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора. В отличие от спектрофотометров, фотоколориметры просты, недороги и при этом обеспечивают точность, достаточную для многих применений.
Колориметры разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектрические) - фотоколориметры. В визуальных колориметрах свет, проходящий через измеряемый раствор, освещает одну часть поля зрения, в то время как на другую часть падает свет, прошедший через раствор того же вещества, концентрация которого известна. Изменяя толщину l слоя одного из сравниваемых растворов или интенсивность I светового потока, наблюдатель добивается, чтобы цветовые тона двух частей поля зрения были неотличимы на глаз, после чего по известным соотношениям между l, I и с может быть определена концентрация исследуемого раствора.
Фотоэлектрические колориметры (фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители, фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды. Сила фототока приемников определяется интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Помимо фотоэлектрического колориметра (фотоколориметра) с непосредственным отсчетом силы тока, распространены компенсационные колориметры, в которых разность сигналов, соответствующих стандартному и измеряемому растворам, сводится к нулю (компенсируется) электрическим или оптическим компенсатором (например, клином фотометрическим); отсчет в этом случае снимается со шкалы компенсатора. Компенсация позволяет свести к минимуму влияние условий измерений (температуры, нестабильности свойств элементов колориметра) на их точность. Показания колориметра не дают сразу значений концентрации исследуемого вещества в растворе - для перехода к ним используют градуировочные графики, полученные при измерении растворов с известными концентрациями.
Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от рода вещества составляют от 10 −3 до 10 −8 моль/л.
21. Схема ФЕКа, который основан на сопоставлении 2-х световых потоков,где Л-лампа, З-зеркала,Сф-светофильтры, К-конденсаторы, А- кювета с контролируемым раствором, Ф1 и Ф2-фотоэлементы,ЭУ-электронный усилитель, ИН-индикатор нуля, ОК-оптический клин.
Принцип работы: световой поток от лампы Л разделяется на 2 потока и отражаясь от зеркал З попадает на одинаковые фотоэлементы Ф1 и Ф2.Поток,который идет через верхний световой канал проходит через светофильтр Сф, конденсата К и оптический клин ОК, а поток света,который идет через нижний световой канал проходит через нижний светофильтр Сф конденсата К и кюветы А, которая заполнена контролируемым веществом. Фотоприёмники Ф1 и Ф2 соединяются встречно и в их контур включается электронный усилитель ЭУ. Меняя положения ОК (оптический клин) добиваются равенства световых потоков в обоих каналах. Тогда оба канала выдадут одинаковые фототоки и сигнал расбаланса на входе в электронный усилитель станет равен нулю, и индикатор ИН покажет ноль. После выставления показания прибора на ноль, т.е. уравновесили схему, помещаем кювету А с контролируемым раствором в прибор, в следствии изменения равенства световых потоков возникнет разбаланс, который подастся на электронный усилитель. Для того,чтобы уровнять световые потоки необходимо перемещать ОК до тех пор, пока не перестанет подаваться сигнал расбаланса на усилитель, т.е. выровняются фототоки и стрелка, которая соединена с оптическим клином не покажет действующее значение концентрации раствора, размещенного в кювете А.
22. Рефрактометры предназначены для определения показателя преломления исследуемого вещества, на основе которого делается вывод о его составе, наличии примесей, определяется процентный состав растворенных сухих веществ. Данные приборы предназначены для изучения неагрессивных жидкостей средней вязкости и твердых тел.
Рефрактометры применяются в химической промышленности,
пищевой промышленности, для анализа продуктов и сырья, в медицине и ветеринарии; в фармацевтической промышленности для исследования водных растворов лекарственных препаратов, а также во многих других отраслях производства.
Обычно показатели преломления жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять линии спектра в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 -10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения показателей преломления газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 -7) определения разностей показателей преломления растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.
Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации показателей преломления в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.
Рефрактометрия, выполняющаяся с помощью рефрактометров, является одним из распространённых методов идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
23.
1- осветитель; 2- коллиматор; 3 - кювета; 4, 5 -- призмы; 6 - фотоэлементы.
Кювета состоит из двух камер, разделенных прозрачной перегородкой, одна из которых заполнена эталонным раствором заданной концентрации, а другая - контролируемым раствором. При равенстве показателей преломления эталонной п и контролируемой п" жидкостей луч света проходит через обе камеры без отклонений, а при изменении концентрации контролируемой среды, показатель п" изменяется и луч света отклоняется. Отклонение луча тем больше, чем заметнее различие между концентрациями эталонной и контролируемой жидкостей. Конструкция дифференциальной кюветы обеспечивает температурную компенсацию, т. е. равенство температур, при которых находятся обе жидкости.
24. При измерении масс-спектрометрами используют основной физический параметр вещества - массу молекулы или атома. Это позволяет определять состав вещества независимо от его химических и физических свойств. Преимущество масс-спектрометрическего метода - быстрый и полный анализ многокомпонентных газовых смесей. При этом для анализа требуются ничтожно малые количества вещества. "
В условиях глубокого вакуума молекулы или атомы анализируемого вещества ионизируются с образованием положительно заряженных ионов. Ионы, получившие ускорение в электрическом поле, разделяются по своим массам в магнитном поле. Сумма электрических зарядов движущихся ионов образует ионный ток. Измерение силы ионного тока, создаваемого частицами той или иной массы, позволяет судить о концентрации частиц в общем составе анализируемого вещества. В масс-спектрометре любой конструкции основной частью является масс-анализатор, в котором происходят ионизация, формирование ионного луча, разделение его на составляющие ионные лучи, соответствующие строго определенным массам, и последовательное раздельное собирание ионных лучей на коллекторе. Соответственно указанным процессам масс-анализатор любого масс-спектрометра состоит из источника ионов, собственно анализатора и приемника ионов.
По конфигурации и взаимной ориентации магнитных и электрических полей, а также по характеру изменения этих полей во времени масс-спектрометры делятся на четыре группы:.с разделением ионов в однородном магнитном поле; с разделением ионов в неоднородном магнитном поле; с разделением ионов по времени пролета; радиочастотные.
Преимущественное применение получили масс-спектрометры с разделением ионов в однородном магнитном поле и по времени пролета.
25. Автоматический рефрактометр.
26. Действие рефрактометра
РН метрия
