Теория работы. При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе

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:

, (1)

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:

. (5)

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.

Рис. 1

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

Рис. 2

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.