НА УНИВЕРСАЛЬНОМ МОНОХРОМАТОРЕ

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В РАСТВОРАХ

Свет, проходя через любую среду, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного излучения в другие виды энергии. С точки зрения электронной теории взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебания вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит и в другие формы энергии, например, в энергию теплового движения. Действительно, поглощение света сопровождается нагреванием тела. Поглощение света можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.

Рисунок 1

Пусть через однород-ное вещество распрост-раняется пучок парал-лельных монохромати-ческих лучей длиной волны l. Разобьем слой поглощающего вещест-ва на ряд элементарных слоев толщиной dl (ри-сунок 1).

При прохождении света сквозь такой слой изменение интенсивности света dI_l на пути dl пропорционально величине этого пути и интенсивности света

- dI_l = k_l× I_l×dl. (1)

Коэффициент k_l определяется свойствами поглощающего вещества и называется коэффициентом поглощения. Интегрируя уравнение (1), получаем

lnI - lnI₀ = -k_ll. (2)

Из (2) следует закон Бугера

. (3)

Здесь ,

где - оптическая плотность;

- коэффициент пропускания;

I - интенсивность света, вышедшего из поглощающего вещества;

I₀ - интенсивность света, вошедшего в слой поглощающего вещества (потерями света при отражении от границ поглощающей среды пренебрегаем).

Свет различных длин волн поглощается различно, поэтому коэффициент поглощения k_l зависит от длины волны. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны называется спектром поглощения (рисунок 2).

Рисунок 2

Ослабление интенсивности света при его прохождении через вещест-во может происходить также и за счет его рассеяния. Однако в случае прозрачных сред рассеянием света можно пренебречь. Если поглотите-лем является растворенное в жидком или твердом растворителе вещество, то п оглощение будет тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому в случае разбавленных растворов, т.е. когда взаимодействие молекул растворенного вещества мало, коэффициент поглощения пропорционален его концентрации C

k_l = cC,

где c - коэффициент пропорциональности (коэффициент экстинции), также зависящий от длины волны l.

Тогда, подставив k_l в формулу (3), получим закон Бугера-Бера

, (4)

показывающий изменение интенсивности света при поглощении его в разбавленных растворах.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Малогабаритный универсальный монохроматор (МУМ).

2 Кюветы с раствором.

5 УСТРОЙСТВО И РАБОТА МАЛОГАБАРИТНОГО УНИВЕРСАЛЬ-НОГО МОНОХРОМАТОРА

Основными узлами МУМ являются (рисунок 3):

Рисунок 3

1 Источник излучения (1), которым является галогенная лампа накаливания типа "КГМ12-100". Световой поток выводится через конденсор, встроенный в стенку кожуха источника. Схемой предусмотрено изменение накала лампы ("Накал-недокал") с помощью тумблера, расположенного в стенке кожуха источника.

2 Предметная стойка, на которой устанавливаются кюветы (разной длины) с растворами.

3 Оптический блок (3) состоит из вогнутой дифракционной решетки, которая выполняет роль фокусирующего и диспергирующего элемента. Свет на нее попадает от источника через конденсор, входную щель и поворотное зеркало. Монохроматический луч, получаемый при прохождении дифрагированного излучения через выходную щель, попадает на приемник. Щели (входная и выходная) сменные, постоянной ширины, одинаковые. Для получения большей спектральной чистоты выделяемого излучения при работе в области спектра 290...710 нм входная и выходная щели устанавливаются в положение I, а при работе в области спектра 200...290 нм и 710...800 нм щели устанавливаются в положение II.

Номинальные размеры смежных щелей и обозначение положения щели нанесены на их поверхности.

Сканирование спектра осуществляется поворотом дифракционной решетки. Отсчет длины волны монохроматического луча, выходящего из оптического блока, осуществляется с помощью цифрового механи-ческого счетчика с точностью 0,2 нм.

4 Блок приемника монохроматического излучения (4) состоит из фотоэлемента (Ф-26) и усилителя электрического сигнала. Световой поток, падающий на катод фотоэлемента регулируется с помощью ручки, выведенной на боковую стенку приемника и изменяющий раскрытие диафрагмы. На катод фотоэлемента подается напряжение 45 В от блока питания. Анодная нагрузка фотоэлемента представляет собой набор резисторов, с помощью которых регулируется чувствительность монохроматора. Это осуществляется переключателем, выведенным на боковую стенку приемника (положения 1...4).

С анодной нагрузки фотоэлемента сигнал подается на вход измери-тельного усилителя, собранного на электрометрической лампе ЭМ-7, обладающей высоким входным сопротивлением.

5 С выхода усилителя сигнал подается на вход цифрового вольтметра (В7-22), который может быть включен либо как миллиамперметр, либо как непосредственно вольтметр. Регистрация интенсивности излучения осуществляется по шкале цифрового вольтметра в относительных единицах.

6 Питание приемника осуществляется с помощью источника пита-ния (6), на боковую стенку которого выведены тумблеры "Сеть", "На-кал-недокал", "Фотоэлемент" и гнезда для подключения вольтметра. В блок питания входят: силовой трансформатор, стабилизатор и преоб-разователь напряжения. Стабилизатор включает в себя выпрямитель, источник опорного напряжения на стабилитроне, двухкаскадный усилитель. Преобразователь представляет собой автогенератор с индуктивной связью, который питается от стабилизатора.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

а) Подготовка установки к измерениям

1 Подключите блок питания к сети и включите тумблер "Сеть". При этом должна загореться сигнальная лампочка. Тумблер "Накал-недокал" должен находиться в среднем положении (источник света отключен). Включите тумблер "Фотоэлемент".

2 Подключите вольтметр В7-22А к сети. Включите тумблер "Сеть" и прогрейте прибор в течение 15 мин. Подключите вольтметр к блоку питания. Поставьте органы управления в рабочее положение (нажмите кнопки mA и 02).

3 После прогрева установки установите нулевое показание вольтмет-ра с помощью ручки "Установка "0"" на боковой стенке приемника. Допустимы показания на вольтметре в интервале 0...0,0005.

4 Установите начало диапазона спектра поглощения с помощью ручки "Длина волны" на оптическом блоке (360 нм).

5 Установите переключателем на приемнике чувствительность в положение "I".

б) Проведение измерений и их обработка

1 Установите на предметную стойку (2) кювету с растворителем (светлая жидкость).

2 Включите источник, поставив тумблер на блоке питания в положение "Накал".

3 Установите с помощью ручки "Диафрагма" на приемнике единичное показание на табло вольтметра (0,100±0,002), что будет соответствовать значению I₀ в относительных единицах.

4 Замените кювету на аналогичную с раствором и запишите показание вольтметра, которое соответствует значению I (в относительных единицах), в таблицу 1.

5 Увеличьте длину волны на 20 нм и повторите эксперимент, установив I₀ = 0,100±0,002 и измерив I для раствора. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

6. По результатам измерений рассчитайте величины t, D, k_l и занесите их в таблицу 1.

7 Постройте график зависимости и по нему определите l_maх , соответствующее максимальному значению k_l.

Таблица 1

l (нм)	I0	I	t=	D=-lg

8 Определите зависимость оптической плотности D от длины кюветы для l = l_max. Данные занесите в таблицу 2. Постройте график зависимости .

9 Подтвердите прямую пропорциональность коэффициента погло-щения от концентрации, зная, что С₁ = 4С₂. Для этого при l_max опреде-лите и найдите их отношение.

10 Зная концентрацию раствора, определите коэффициент экстинк-ции по формуле при l=l_max. Таблица 2

l, см	I0	I
	0,100
	0,100
	0,100
	0,100
	0,100