І. Теоретичні відомості. Світлова хвиля, проходячи через речовини, збуджує коливання електронів в атомах
Світлова хвиля, проходячи через речовини, збуджує коливання електронів в атомах. На це витрачається частина її енергії, тому амплітуда коливання хвилі поступово затухає. При цьому відбувається перетворення енергії електромагнітних коливань на теплову енергію, яка витрачається на збудження та іонізацію атомів, фотохімічні реакції і т.ін.
Перехід енергії світлової хвилі в інші види енергії називається поглинанням світла. Слабо поглинаючі речовини називають прозорими, сильно поглинаючі – непрозорими. Закон поглинання світла для паралельного пучка монохроматичних променів в однорідному середовищі встановлений Бугером: в кожному наступному шарі однакової товщини поглинається однакова частина потоку енергії падаючої хвилі.
Нехай на поверхню середовища товщиною d перпендикулярно до його поверхні падає світловий потік інтенсивністю І0 (рис.1). Інтенсивність світлового потоку І – це кількість енергії, що переноситься світловим потоком за 1 с через плоску, розташовану перпендикулярно до світлового потоку, площадку товщиною 1 м2. Напрям поширення світлової хвилі відповідає позитивному напряму осі 0х.
Розглянемо на віддалі х від поверхні речовини шар з малою товщиною dx, на який падає світло інтенсивністю Іх. Відповідно до закону Бугера зміна інтенсивності dІх, яка відбувається в шарі товщиною dх, пропорційна Іх та dх:
dІх = ‑ k Іх dх, (1)
де “‑” вказує на те, що зі збільшенням поглинального шару інтенсивність світла зменшується, k – коефіцієнт поглинання. Розділимо змінні в однорідному диференціальному рівнянні (1) та проінтегруємо його:
, звідки .
Тому закон Бугера записують у вигляді
. (2)
З рівняння (2) бачимо, що якщо покласти k = 1/d, то І/I0 = e. Отже, фізичний зміст коефіцієнта поглинання: k чисельно рівний оберненій товщині шару поглинаючої речовини, при якій інтенсивність світла зменшується в е » 2,72 рази. Нижче, в таблиці приведені числові значення коефіцієнта поглинання k деяких речовин:
Коефіцієнт поглинання залежить від стану, хімічної природи речовини та від довжини світлової хвилі, яка поглинається в цій речовині. Тому закон (2) справедливий для монохроматичного світла, що характеризується певною довжиною хвилі l. Тобто для монохроматичного світла закон Бугера має такий вигляд:
, (3)
де kl ‑ монохроматичний коефіцієнт поглинання.
Відомо, що монохроматичний коефіцієнт поглинання kl прямо пропорційний концентрації розчину С:
kl = cС, (4)
c - питомий коефіцієнт поглинання (дорівнює kl для розчину одиничної концентрації); С – концентрація розчиненої речовини в розчині. Це закон Бера.
Підставивши (4) в рівняння (3), отримаємо закон Бугера-Ламберта-Бера:
. (5)
На практиці поглинання характеризують коефіцієнтом пропускання (прозорістю) розчину:
, (6)
або оптичною густиною розчину:
. (7)
Підставивши (5) в (7), отримаємо D = kl×d×lge = 0,43kld, звідки
. (8)
Комбінуючи формули (5) та (7), для оптичної густини D одержимо:
. (9)
Отже, оптична густина D при сталій товщині шару d залежить від концентрації С розчиненої у розчині речовини та від довжини хвилі l світла. Залежність D = f(C) використовується для визначення концентрації розчинів і є основою методу концентраційної колориметрії.
Якщо два розчини однієї і тієї ж речовини (c1 = c2) з концентраціями С1 та С2 при товщині шарів d1 і d2, відповідно, поглинають світло однаково, то їх оптичні густини однакові (D1 = D2). Тоді С1d1 = С2d2, і невідома концентрація розчину (наприклад С2) становить:
. (10)
Для визначення оптичної густини і коефіцієнта поглинання забарвлених розчинів служать фотоелектроколориметри.
Дата добавления: 2015-05-26; просмотров: 597;