Лабораторная работа № 67

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ПРОЗРАЧНЫХ ТЕЛ

Цель работы: изучение работы лабораторного фотометра ЛМФ-72; измерение коэффициентов поглощения света просвинцованного стекла и оргстекла; анализ диаграммы полученных результатов.

Приборы и принадлежности: лабораторный фотометр
ЛМФ-72, набор исследуемых образцов.

1.       ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Из опытов известно, что по мере распространения световой волны в веществе ее интенсивность постепенно уменьшается. Это явление называется поглощением света в веществе (абсорбцией света). Поглощение света связано с преобразованием энергии электромагнитного поля волны в другие виды энергии. Согласно 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 электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также и в другие формы энергии, например в энергию теплового движения.

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.

Пусть монохроматическая волна интенсивности I₀ падает на плоский слой вещества толщиной  (рис. 1). Разобьем этот слой на ряд элементарных слоев с толщиной dx (см. рис. 1). Интенсивность волны, подошедшей к слою, лежащему на глубине х, обозначим I_х. Интенсивность света dI_x, поглощенного слоем dx, пропорциональна падающему на этот слой свету I_х и толщине слоя dx. Учитывая, что интенсивность по мере углубления в вещество уменьшается, имеем

,                                                   (1)

где α – коэффициент поглощения, зависящий от частоты падающей волны (или длины волны).

Знак «минус» означает убыль энергии световой волны. Интегрируя уравнение (1), получим

,                                                (2)

,                                             (3)

 – закон Бугера,                                (4)

где I – интенсивность света, вышедшего из поглощающего вещества.

Формула (4) справедлива только для монохроматического света, так как коэффициент поглощения зависит от длины волны λ (или частоты). Коэффициент поглощения света α – величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность убывает в «» раз.

Обычно поглощение носит селективный избирательный характер, т.е. свет различных длин волн поглощается различно. Так как длина волны определяет цвет света, то, следовательно, лучи различных цветов поглощаются в данном веществе по-разному. Прозрачными неокрашенными телами являются тела, дающие малое поглощение света всех длин волн, относящихся к интервалу видимых лучей. Так, стекло поглощает в слое толщиной в 1 см лишь около 1 % проходящих через него видимых лучей. То же стекло сильно поглощает ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи.

Цветными прозрачными телами являются тела, обнаруживающие селективность поглощения в пределах видимых лучей. Например, «красным» является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые, синие и фиолетовые. Если на такое стекло падает белый свет, представляющий собой смесь волн различных длин, то через него пройдут лишь более длинные волны, вызывающие ощущение красного цвета, более же короткие волны будут поглощены. При освещении того же стекла зеленым или синим светом оно покажется «черным», так как стекло поглощает эти лучи.

Зависимость α = f (λ) представляет собой кривую с рядом максимумов, которые, в свою очередь, представляют собой полосы поглощения веществом света для определенного интервала длин волн
(рис. 2).

Для вычисления коэффициента поглощения прологарифмируем формулу (4) и решим относительно α:

,                                            (5)

 ,                                                     (6)

где τ – коэффициент пропускания, равный отношению интенсивности света Ι, прошедшего слой вещества, к интенсивности света Ι₀, падающего на этот слой.

С учетом (6) формула (5) перепишется в виде:

ln τ = –α · l  или 2,3 lgτ = –α · l ,                    (7)

.                                                    (8)

Оптическая плотность вещества D равна логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания:

.                                              (9)

С учетом (9) коэффициент поглощения равен

.                                                        (10)

Для различных веществ численное значение коэффициента поглощения α различно и колеблется в широких пределах.

В качестве примера приводим коэффициенты поглощения видимых лучей, которые определяются следующими величинами:
(0,01–0,03) см^–1 – для стекла (в зависимости от сорта); 0,001 см^–1 – для воды; (2–4)·10^–1 см^–1 – для воздуха (в зависимости от влажности).

В данной работе измерение коэффициента поглощения света твердыми телами выполняется с помощью фотометра ЛМФ-72.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Фотометр лабораторный ЛМФ-72 предназначен для измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности жидкостных растворов и твердых тел, а также определения концентрации растворов графическим методом.

Прибор может быть использован для массовых анализов по определению содержания различных элементов в условиях исследовательских, заводских и агрохимических лабораторий.

Внешний вид фотометра изображен на рис. 3. Здесь 1 – клавиша «сеть»; 2 – сигнальная лампа; 3 – флуориметр; 4 – расширитель;
5 – род работы; 6 – крышка; 7 – щель для установки сменных фильтров; 8 – шкала измерительного прибора.

Рис. 3

Лабораторный фотометр ЛМФ-72 выполнен по однолучевой схеме с модуляцией светового потока и непосредственным отсчетом. Функциональная схема прибора представлена на рис. 4.

Световой поток от источника излучения 1, пройдя светофильтр 2, модулируется обтюратором 3 и затем через кювету 4 с измеряемой жидкостью попадает на фотокатод светоприемника 5, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное прошедшему через кювету световому потоку. Переменное напряжение, усиленное усилителем 6, детектируется преобразователем 7 и регистрируется измерительным прибором 8. Компенсатор нуля 9 служит для точной его установки. Питание схемы осуществляется стабилизированными источниками 10, 11, 12.

Рис. 4

Оптическая схема прибора представлена на рис. 5.

Рис. 5

При измерении коэффициента пропускания τ световой поток от лампы 1 через конденсор 2, 3 параллельным пучком через регулируемую щель 4, светофильтр 5, обтюратор модуля 7 и кювету с измеряемой жидкостью 8 попадает на светоприемник 10. Стекла 6 защищают элементы оптической схемы от воздействия на них капель и паров измеряемой среды; шторка 9 предохраняет светоприемник от засветки посторонним светом.

На лицевой панели прибора (см. рис. 3) размещены ручки управления прибором и глазок индикации 2 включения прибора. На горизонтальной поверхности прибора расположена щель 7 установки сменных светофильтров и откидная крышка 6 кюветной камеры. На наклонной части фотометра размещен показывающий прибор, под ним – номограмма 8 пересчета коэффициента пропускания τ в оптическую плотность D.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1.            Включите прибор в сеть с напряжением 220 В.

3.2.            Установите в прибор сменный интерференционный светофильтр № 3 (зеркальная поверхность светофильтра должна находиться слева, т.е. со стороны источника света).

3.3.            Закройте крышку кюветного блока.

3.4.            Перекройте оптический канал, выдвинув на себя ручку «род работы» до упора.

3.5.            Вращением против часовой стрелки установите ручку «чувствительность, грубо, точно» в крайнее положение.

3.6.            Вращением по часовой стрелке установите ручку «установка 0, грубо» в крайнее положение.

3.7.            Нажмите кнопку «сеть».

3.8.            Через 5–10 минут приведите стрелку показывающего прибора к отметке «0» вращением ручки «установка 0, точно».

3.9.            Задвиньте ручку «род работы» до упора и вращением ручки «установка 100» передвиньте стрелку показывающего прибора на отметку «100».

3.10.      Нажмите кнопку «расширитель» и вращением ручки «установка 0, грубо» установите показания прибора на 20–25 делений.

3.11.      Вращением ручки «чувствительность грубо, точно» верните стрелку прибора к отметке «100».

3.12.      Измерения на приборе начинайте спустя 30 минут после его включения в сеть. При замене светофильтра в процессе работы измерения рекомендуется проводить не ранее, чем через 5 минут.

3.13.      При измерении коэффициента пропускания отключите кнопки «флуориметр» и «расширитель», а ручку «род работы» задвиньте в прибор до упора.

3.14.      Поставьте образец в рамку прибора, открыв крышку.

3.15.      Установите светофильтр № 3 зеркальной поверхностью в сторону лампы.

3.16.      Закройте крышку кюветного отделения и по шкале показаний прибора определите коэффициент пропускания τ.

3.17.      По номограмме, расположенной под измерительной шкалой прибора, для данного значения τ определите величину оптической плотности D.

3.18.      Меняя номера фильтров, определите оптическую плотность стекол D для определенных длин волн.

3.19.      Микрометром измерьте толщину исследуемого образца.

3.20.      По формуле (10) вычислите значения коэффициентов поглощения α.

3.21.      Опыт повторите с образцом 2. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу, форма которой дана ниже.

3.22.      Постройте диаграмму зависимости α = f (λ) для каждого образца.

Форма таблицы

ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель работы?

2. Поясните принцип действия фотометра.

3. Объясните механизм поглощения света.

4. Как найти «α» по измерениям данной работы?

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Опишите ход работы.

2. Почему коэффициент поглощения зависит от длины волны?

3. Выведите закон Бугера.

4. Почему кривые поглощения и пропускания имеют резонансный характер?

5. Расскажите о практическом использовании фотометра.

6. Критические замечания к методу измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики.– М.: Высш. шк., 1970.– 448 с.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.– М.: Высш.шк., 1963.– 568 с.

3. Техническое описание фотометра ЛМФ-72.– Киев: Веда, 1979.– 42 с.