Теоретические сведения. Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы спектрофотометра; определение спектров пропускания и поглощения ра

СПЕКТРОФОТОМЕТРА

ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ С ПОМОЩЬЮ

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ И

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы спектрофотометра; определение спектров пропускания и поглощения различных веществ, построение калибровочного графика для растворов окрашенного вещества и проверка закона Бера.

Приборы и материалы: спектрофотометр СФ-18, набор цветных стёкол и растворов, мерная посуда.

Многие вещества и их растворы являются прозрачными для видимого электромагнитного излучения (света). В основном это относится к веществам с ионным типом связи (окислы, щелочи, кислоты, соли), которые прозрачны почти для всех частот вплоть до некоторой граничной частоты, называемой также основной или граничной частотой поглощения. Для излучения более высоких частот они непрозрачны. Это обусловлено тем, что высшие уровни электронных состояний заполненной зоны не имеют непосредственно примыкающих к ним свободных уровней. Однако при частотах выше граничного значения энергия фотонов становится достаточно большой, чтобы возбудить электроны и перебросить их через запрещённую зону на незанятые уровни. Все такие фотоны поглощаются полностью. Типичная кривая поглощения показана на рис. 42. Основная частота поглощения для веществ с ионным типом связи находится в ультрафиолетовой области, где энергия фотонов превышает 4эВ. Для большинства полупроводников граничная частота поглощения расположена в красной или инфракрасной области спектра. Металлы поглощают все виды электромагнитного излучения.

На рис. 42, где показана частотная зависимость поглощения электромагнитного излучения веществом, можно видеть, что при частотах меньше основной имеется несколько максимумов поглощения. Максимум при наименьшей частоте обусловлен колебаниями расположенных в узлах кристаллической решётки ионов, возникающими под действием сил электрического поля электромагнитной волны при совпадении частоты излучения с частотой собственных колебаний ионов (резонансное поглощение). Собственная частота колебаний ионов в твёрдом теле, равная примерно 10¹³ Гц, находится в инфракрасной области спектра.

Рис. 42

Второй максимум поглощения обусловлен примесями или дефектами кристаллических решёток. Поскольку в веществе с ионным типом связи может оказаться много примесей или дефектов различного рода, то может быть обнаружен целый ряд таких максимумов. Они вызываются электронами, связанными с примесью или дефектом решётки менее сильно, чем электроны атомов или ионов основной решётки. И поэтому их легче возбудить и перебросить на уровни незаполненной зоны.

Полосы примесного поглощения встречаются обычно в видимой части спектра. Именно они обусловливают окраску многих веществ с ионным типом связи. Например, корунд – окисел алюминия Al₂O₃ в чистом виде не окрашен. Примеси трёхвалентного хрома дают красную окраску рубинов, обусловленную полосой поглощения света с максимумом около 550нм. А примеси трёхвалентного железа – голубую окраску сапфиров. Чистые и совершенные кристаллы NaCl не окрашены, но наличие в кристаллической решётке вакантных узлов, образовавшихся при удалении части отрицательных ионов, приводит к тому, что кристаллы желтеют.

При прохождении света через вещество электроны, возбуждённые в результате поглощения фотонов, возвращаются в основное состояние, отдавая энергию обратно частично в виде электромагнитного излучения, частично – в виде тепловых колебаний кристаллической решётки. Таким образом, часть энергии световых волн будет необратимо поглощена веществом.

На практике взаимодействие излучения с веществом характеризуют тремя фотометрическими величинами. Коэффициент отражения R определяет долю излучения, отражённого от поверхности вещества

, (1)

где I₀(λ) – интенсивность падающего светового потока с длиной волны λ; I_R(λ) – интенсивность отражённого светового потока.

Отношение интенсивности прошедшего светового потока к интенсивности падающего светового потока называется коэффициентом пропускания Т:

, (2)

где I_T(λ) – интенсивность прошедшего через вещество светового потока.

Коэффициенты отражения и пропускания являются безразмерными величинами и в общем случае могут принимать значения от 0 до 1,0 (от 0 до 100%). Величина

(3)

называется коэффициентом оптической плотности или оптической плотностью. Коэффициент оптической плотности может принимать значения от 0 до ∞. Приемлемыми для измерений являются значения от 0 до 2,0.

В соответствии с законом поглощения света Бугера-Ламберта интенсивность света I_Т, прошедшего через вещество, определяется соотношением

, (4)

где l – толщина слоя вещества в метрах; k – коэффициент поглощения, измеряемый в м^-1 и зависящий от длины волны света и свойств вещества.

Зависимости R(λ), T(λ), D(λ) и k(λ) от длины волны светового излучения называются спектрами отражения, пропускания, оптической плотности и поглощения, соответственно.

В том случае, когда светопоглощающее вещество растворено в непоглощающем свет растворителе, коэффициент поглощения зависит от его концентрации и соотношение (4) принимает другой вид, называемый законом Бера:

, (5)

где α(λ) – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света λ; С – концентрация светопоглощающего вещества.

В результате величины коэффициента пропускания Т и оптической плотности D будут зависеть от концентрации поглощающего вещества:

; (6)

. (7)

Зависимости Т(С) и D(С) при фиксированных значениях длины волны излучения λ и толщины слоя поглощающего вещества представляют собой калибровочные графики для определения концентрации С светопоглощающего вещества при проведении спектрофотометрического анализа.

Дата добавления: 2015-06-04