Теоретическая часть. 1.1. Исследование зависимости оптической плотности и коэффициента пропускания растворов от толщины поглощающего слоя

ИЗУЧЕНИЕ Явления ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ВЕЩЕСТВОМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 68

1. Цель работы

1.1. Исследование зависимости оптической плотности и коэффициента пропускания растворов от толщины поглощающего слоя, концентрации растворов, длины волны поглощаемого света.

1.2. Определение коэффициентов поглощения исследуемых растворов в зависимости от длины волны поглощаемого света.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление ослабления энергии световой волны, проходящей через вещество, вследствие преобразования её в различные формы энергии (чаще всего в тепловую).

Явление поглощения света веществом можно объяснить как с точки зрения волновых представлений, так и с точки зрения квантовых представлений.

Согласно волновой теории электрическое поле падающей на вещество электромагнитной световой волны вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах. Вещество можно представить как набор осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами затухания колебаний. В случае идеальной однородной среды электроны атомов и молекул, совершающие вынужденные колебания, излучают вторичные электромагнитные волны той же частоты, что и частота колебаний в падающей волне, интерферируют с ней и изменяют ее скорость распространения , но при этом полностью возвращают всю поглощенную долю энергии падающей волне. В реальных средах не вся энергия колеблющихся электронов испускается обратно с электромагнитными волнами, часть её переходит в другие формы энергии, в основном – тепловую. При приближении частоты падающей световой волны к частотам собственных колебаний электронов в атомах и молекулах амплитуда вынужденных колебаний возрастает, и энергия колебаний электронов внутри атомов и молекул может перейти в энергию внешних хаотических движений атомов и молекул в целом. При совпадении частот колебаний в падающей волне и собственных колебаний электронов вещества наступает резонанс колебаний, и свет максимально поглощается веществом.

С точки зрения квантовых представлений удается вычислить собственные частоты колебаний атомов и молекул на основе спектров поглощения. При переходе электронов в атоме с низкого энергетического уровня (E_n) на более высокий (E_{n +1}), происходит поглощение кванта энергии h ν = E_{n +1}– E_n. При обратном переходе атом испускает этот квант. Поскольку n – квантовое число, определяющее энергию электрона в атоме, принимает значение от 1 до ∞, то даже один электрон может изучать (и поглощать) целый спектр частот.

Если на вещество, состоящее из невзаимодействующих между собой молекул, падает длинноволновое излучение (λ = 0,1 – 1 мм) с малыми по величине квантами, то их поглощение приводит к изменению вращательной энергии молекулы. Кванты энергии этих волн находятся в далекой инфракрасной области и могут перевести молекулу с одного вращательного энергетического уровня на другой, более высокий, т.е. привести к возникновению спектральных линий вращательного спектра поглощения. Поглощение света в инфракрасной области с длиной волны 1 мкм – 10 мкм вызывает переходы между колебательными энергетическими уровнями в молекуле и приводит к возникновению колебательного спектра молекулы. Однако при изменении колебательных энергетических уровней одновременно изменяется и ее вращательные энергетические состояния. Поэтому переходы между двумя колебательными уровнями сопровождаются изменением и вращательных энергетических состояний, так что возникает колебательно-вращательный спектр. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра энергии квантов достаточно для осуществления переходов между различными электронными энергетическими уровнями. Каждому такому уровню соответствует определенное пространственное распределение электронов, принадлежащих атомам, составляющим молекулы, т.е. определенная конфигурация электронов, обладающая некоторой дискретной энергией. Каждому электронному энергетическому уровню молекулы соответствуют различные колебания ядер в молекуле, т.е. набор колебательных энергетических уровней. Переходы между такими электронно – колебательными уровнями приводят к возникновению электронно – колебательного спектра молекулы. На каждое колебательное энергетическое состояние накладывается, кроме того, система вращательных уровней.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера - Ламберта:

I = I ₀ e ^{– α l}, (2.1)

где I ₀ и I – соответственно интенсивности монохроматической световой волны падающей и прошедшей через поглощающий слой, l – толщина поглощающего слоя; α– коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества.

Физический смысл коэффициента поглощения заключается в том, что он равен обратной величине толщины такого слоя, при котором интенсивность света I по сравнению с I ₀ уменьшается в e раз. Коэффициент поглощения зависит от длины волны λ (или от частоты ν) световой волны и различен для различных веществ. Так одноатомные газы и пары металлов (в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близкими к нулю коэффициентами поглощения в широком спектральном диапазоне и лишь в очень узких спектральных областях (10^-12 – 10^{-11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектры поглощения).} Коэффициенты поглощения для диэлектриков и большинства жидкостей невелики (10^-3 –10^-5 см^-1), однако они обладают селективным поглощением света в определённых интервалах длин волн, в которых величина α резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (10^-7 – 10^{-6 м}). Коэффициенты поглощения для металлов имеют большие значения (10³ – 10⁴ см^-1), поэтому металлы практически не прозрачны для света. В металлах, из–за наличия свободных электронов, движущихся под действием поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нём поглощение света.

На рис. 2.1. показана типичная зависимость коэффициента поглощения αот частоты падающего света ν в области полосы поглощения и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения.

Рис. 2.1

Из рисунка видно, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν ), т.е. вещество максимально поглощает те частоты падающего света, которые совпадают с частотами собственных колебаний электронов вещества.

На явлении поглощения света основан абсорбционный спектральный анализ. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение их спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Если поглощающее вещество растворено в прозрачном растворителе, то интенсивность поглощённого света будет определяться количеством молекул поглощающего вещества, приходящихся на единицу светового луча в веществе, т.е. концентрацией раствора. Коэффициент поглощения α становится функцией концентрации:

α = ε · c,(2.2)

где ε – новый коэффициент поглощения, рассчитанный на единицу концентрации – коэффициент экстинкции; c – концентрация растворённого вещества.

Дата добавления: 2015-07-02