Монохроматический свет, монохроматизация , монохроматизаторы фотометрии
Монохромное излучение, Мо́нохромати́ческое излуче́ние (от др.-греч. μόνος — один, χρῶμα — цвет) — электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале — одной частотой (длиной волны).
Монохроматическое излучение формируется в системах, в которых существует только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние.
На практике используют несколько способов получения монохромного излучения.
· призматические системы для выделения потока излучения с заданной степенью монохроматичности
· системы на основе дифракционной решетки
· лазеры, излучение которых не только высоко монохроматично, но и когерентно
· газоразрядные лампы и другие источники света, в которых происходит преимущественно один электронный переход (например, натриевая лампа, в излучении которой преобладает наиболее яркая линия D или Ртутная лампа). Газоразрядные лампы часто используют в сочетании со светофильтрами, выделяющими из линейчатого спектра лампы нужную линию.
Монохроматизаторами или монохроматорами называют устройства для получения света с заданной длиной волны. При конструировании монохроматизаторов используют разные оптические явления: поглощение света, интерференцию, дисперсию и т. д. Наибольшее распространение в практике абсорбционной спектроскопии имеют приборы, в которых в качестве монохроматизаторов применяются светофильтры (абсорбционные, интерференционные или интерференционно-поляризационные) и призмы.
Действие абсорбционных светофильтров основано на том, что при прохождении света через тонкий слой вследствие поглощения происходит изменение величины и спектрального состава проходящего светового потока. Абсорбционные светофильтры имеют небольшую прозрачность (T = 0,1) и довольно широкую полосу пропускания (D l = 30 нм и более). Характеристики интерференционных светофильтров значительно лучше. Светофильтр состоит из двух тончайших полупрозрачных слоев серебра, между которыми находится слой диэлектрика. В результате интерференции света в проходящем пучке остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине диэлектрического слоя. Прозрачность интерференционных светофильтров составляет Т = 0,3. 0,8. Эффективная ширина пропускания обычно не превышает 5. 10 нм. Для еще большего сужения полос пропускания иногда пользуются системой двух последовательных интерференционных светофильтров.
Наиболее универсальными монохроматизаторами являются призмы, изготовленные из кварца, стекла и некоторых других материалов. Для инфракрасной спектроскопии используют призмы из LiF, NaCI, KBr и других галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов. Эти же материалы применяют для изготовления кювет. Призмы позволяют получать свет высокой монохроматичности в широкой области длин волн.
Тела, излучающие свет, называются источниками света. Раздел оптики, изучающий методы и приемы измерения действия видимого света на глаз человека, называется фотометрией.
Световой поток – величина, равная световой энергии (оцениваемой по зрительному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу времени: где W – количество световой энергии, проходящей через заданную поверхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен (лм).
Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется телесным углом. Этот угол называется центральным телесным углом (рис. 1), если его вершина совмещена с центром сферы.
Телесный угол измеряется отношением , где S – площадь части поверхности сферы радиусом R, на которую опирается данный угол. Единицей измерения телесного угла служит стерадиан (ср). Полный пространственный угол равен ср.
Величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телесного угла по заданному направлению, называется
силой света источника где Ф – световой поток внутри достаточно малого телесного угла w. Сила света в СИ измеряется в канделах (кд).
Точечным источником света называется источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения и который излучает свет равномерно во всех направлениях.
Полный световой поток от точечного источника света равен .
Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности.
В СИ освещенность измеряется в люксах (лк).
Первый закон освещенности: освещенность поверхности точечным источником прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности:
Второй закон освещенности: освещенность поверхности прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей:
Объединенный закон освещенности: освещенность, создаваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропорциональна силе света источника и косинусу угла падения лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния до площадки от источника:
Освещенность поверхности, создаваемая несколькими источниками света, равна арифметической сумме освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности.
Если источник света нельзя считать точечным, то для его характеристики вводятся величины светимость и яркость.
Светимость определяется отношением светового потока, испускаемого поверхностью, к площади этой поверхности:
Единицей измерения светимости в СИ служит люкс. Если светимость тела обусловлена его освещенностью, то M = kE, где k – коэффициент отражения.
Яркостью светящейся поверхности в направлении наблюдения называется величина, равная отношению силы света к площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению:
где – угол между нормалью к поверхности и направлением наблюдения. Яркость в СИ измеряется в нитах (нт).
Приборы, служащие для определения силы света одного источника на основании сравнения с силой света источника- эталона, называются фотометрами. Фотометры, приспособленные для непосредственного измерения освещенности, называются люксметрами.
Зависимость между оптической плотностью и толщиной слоя, выражаемая уравнением (9), называется законом Бугера – Ламберта. Зависимость (8) можно также вывести из величины поглощения в бесконечно малом слое, интегрированием на всю толщину кюветы. Для этого, аналогично сказанному выше, рассмотрим поглощение монохроматического света телом с параллельными стенками. Бесконечно тонкий слой поглощает долю энергии входящего в него параллельного монохроматического пучка света, пропорциональную толщине слоя db. Тогда относительное уменьшение интенсивности светового потока пропорционально толщине слоя db, через который прошёл световой поток:
где k – коэффициент, характеризующий поглощение света данным телом и зависящий от свойств данного тела. Этот коэффициент в широких пределах не зависит от интенсивности светового потока, только при очень больших её значениях k перестаёт быть постоянным и наблюдается зависимость k от I, т.е. возникает нелинейность поглощения и k перестаёт быть пропорциональным I. Проинтегрировав уравнение (10), получим:
Логарифмируя уравнение (10), получим:
остоянный коэффициент k аналогичен величине lg n из уравнения (9), т.е. k=lg n.
Из рассматриваемого закона вытекает:
отношение интенсивности светового потока, прошедшего через слой раствора, к интенсивности падающего светового потока не зависит от абсолютной интенсивности падающего светового потока;
если толщина слоя раствора увеличивается в арифметической прогрессии, интенсивность светового потока, прошедшего через него, уменьшается в геометрической прогрессии.
Монохроматизация света может быть осуществлена при помощи:
1) светофильтров;
2) призм;
3) дифракционных решеток.
Светофильтрами называются среды, способные пропускать лишь определенные области спектра. Обычно в фотоколориметрах используются в качестве светофильтров стекла.
.Гравимертический фактор (фактор пересчета)-выражение и физический смысл
Гравиметрический фактор (или фактор пересчета) – это отношение молярной массы определяемого компонента к молярной массе гравиметрической формы с учетом стехиометрических коэффициентов и обозначают буквой F.
.
Гравиметрический фактор рассчитывается по данной формуле или берется в справочнике
Результат гравиметрического анализа рассчитывают по формуле
,
где х – масса определяемого вещества; m – масса гравиметрической формы; М(х) и М(г.ф.) – соответственно молярные массы определяемого вещества и гравиметрической формы (г/моль).Отношение М(х)/М(г.ф.) = F называют гравиметрическим фактором (гравиметрическим множителем) или фактором пересчета. Следовательно,
При вычислении гравиметрического фактора необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты в химических формулах определяемого вещества и гравиметрической формы, чтобы число атомов определяемого компонента в числителе и знаменателе дроби было одинаковым:
.
Например, если определяемым веществом является Fe3O4, а гравиметрической формой Fe2O3, гравиметрический фактор будет равен
.
Числовые значения факторов пересчета для большинства практически важных определений рассчитаны с высокой точностью и приведены в справочниках.
.Графическая зависимость коэффициента рефракции от концентрации
Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:
Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.
Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.
Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).
Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20 °C). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…
Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48·10 −5 , для спирта 3,95·10 −5 , для бензола 4,8·10 −5 . То есть изменение температуры на 1 °C влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.
Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять 
в «белом» свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10·10 −10 ) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 ·10 −7 ) определения разностей n растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.
Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.
Рефрактометрия, выполняющаяся с помощью рефрактометров, является одним из распространённых методов идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:
Источник
Лабораторная работа № 70
Цель работы : изучение и градуировка монохроматора, определение дисперсии и разрешающей способности призмы монохроматора.
Приборы и принадлежности : монохроматор УМ-2, ртутная лампа.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Спектральные приборы: монохроматоры, стилоскопы, спектрофотометры, спектрографы и другие – служат для получения оптических спектров, т.е. для пространственного разделения лучей различных длин волн, и являются основой экспериментальной спектроскопии.
Этот раздел оптики возник в середине XIX века в результате работ Р. Бунзена и Г. Кирхгофа, показавших, что каждый химический элемент имеет свой спектр, не совпадающий со спектрами других элементов, и, следовательно, является такой же фундаментальной характеристикой элемента, как, например, его атомная масса. Теоретические основы спектроскопии были заложены работами Н. Бора
(1914 г.). Согласно атомной теории Бора закономерности в расположении линий в спектре определяются структурой электронной оболочки атома.
Современная спектроскопия как метод исследования представляет большой интерес для физики плазмы, астрофизики, квантовой электроники, так как на основе изучения спектров можно выяснить строение электронных оболочек атомов, ионов, молекул. Сверхтонкая структура линий позволяет получить сведения о некоторых свойствах атомных ядер; яркость спектральных линий, их сдвиг и уширение дают определенные сведения о свойствах среды, в которой находятся излучающие атомы.
Существуют различные способы монохроматизации света, т.е. выделения из спектра излучения источника электромагнитных волн в интервале длин волн. Методы получения монохроматического света основаны на явлениях взаимодействия света с веществом (селективное поглощение, дисперсия) либо на свойствах распространения света в оптически неоднородных средах (интерференция, дифракция). В данной работе получение монохроматического света
основано на дисперсии света – зависимости фазовой скорости света (показателя преломления среды) от длины волны.
На границе двух сред с различными показателями преломления волны разных длин преломляются по-разному. Если суметь выделить волны определенного направления, будет осуществлена монохроматизация. Этот принцип лежит в основе работы спектрального прибора – призменного монохроматора, пространственно разделяющего лучи разных длин волн.
Принципиальная оптическая схема монохроматора представлена на рис. 1.
Схема состоит из трех основных частей: коллиматора 2–4, служащего для получения параллельного пучка лучей; диспергирующей системы 5, разлагающей немонохроматический свет в спектр; и зрительной трубы 6–8 для наблюдения спектра. Свет от источника излучения 1 проходит через конденсор 2, освещает щель 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 4, и параллельным пучком падает на диспергирующую призму 5. Призмы разлагают свет на монохроматические составляющие, и из системы призм выходят параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенной длины 
. Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3. Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ, то спектральное изображение щели 3 будет иметь вид цветных линий, соответствующих атомному линейному спектру газа лампы. Наблюдать спектр можно через окуляр 8.
Основными характеристиками монохроматора являются дисперсия и разрешающая способность.
Угловой дисперсией Dφ монохроматора называют отношение углового расстояния δφ между двумя спектрально близкими монохроматическими линиями, отличающимися по длине волны на δλ, к δλ:
, (1)
где δφ – угловое расстояние между спектральными линиями; δλ – разность длин волн спектральных линий.
Угловая дисперсия измеряется в радианах на нанометр (рад/нм) и определяется только свойствами призм (зависит от преломляющего угла призмы, показателя преломления n и дисперсии dn/dλ материала призмы).
Линейной дисперсией D l называют отношение линейного расстояния δ l между двумя спектрально близкими монохроматическими линиями, отличающимися по длине волны на δλ, к δλ:
, (2)
где δ l – расстояние между спектральными линиями λ и λ + δλ;
δλ – разность длин волн спектральных линий.
Линейная дисперсия измеряется в миллиметрах на нанометр (мм/нм). Линейная и угловая дисперсии связаны между собой. Если фокусное расстояние выходного объектива 6 (рис. 1) равно f, то
, (3)
. (4)
Дисперсия спектральных аппаратов имеет различное значение в разных участках спектра. Поэтому угловое и линейное расстояния между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на одну и ту же величину, будут также различными в разных участках спектра.
Разрешающая способность R монохроматора определяет возможность прибора разделять две близкорасположенные спектральные линии с длинами волн λ1 и λ2, т.е. тот наименьший интервал длин волн δλ = λ2 – λ1, для которого две спектральные линии в соответствии с критерием Рэлея могут наблюдаться раздельно. Разрешающая способность прибора есть безразмерная величина:
, (5)
При малых углах δφ имеем
где В – диаметр (или действующее отверстие) выходного объектива монохроматора. Из выражения (1) δφ = Dφ∙ δλ, тогда с учетом (5) и (6)
. (7)
Из формулы (4) имеем 
, тогда разрешающая способность призмы монохроматора равна
, (1.8)
где f = 280 мм – фокусное расстояние выходного объектива;
В = 40 мм – действующее отверстие призмы (для монохроматора УМ-2).
2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ
И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Наблюдение спектральных линий и измерение их положения производится на монохроматоре УМ-2 со стеклянной оптикой.
Внешний вид монохроматора представлен на рис. 2.
Монохроматор укреплен на рельсе, где также размещены источник света (ртутная лампа) и конденсор, закрепленные в штативах. Смещать штативы не разрешается.
Основными частями монохроматора является коллиматор 7, диспергирующая призма 8 и выходная труба 2.
В качестве входной щели 5 коллиматора применена стандартная симметричная щель, ширина которой регулируется микрометрическим винтом 6. Щель выставлена, трогать микрометрический винт не рекомендуется.
Диспергирующая призма 8 называется призмой с постоянным углом отклонения. Эту призму можно рассматривать как совокупность двух диспергирующих: 30- и 45-градусной призм полного внутреннего отражения. Вращение призмы осуществляется с помощью поворотного механизма 9. На барабане длин волн поворотного механизма нанесены относительные деления – градусы. Отсчет читается против индекса, скользящего по спиральной канавке.
Лучи света, пройдя диспергирующую призму, попадают в объектив выходной трубы 2 монохроматора, который собирает их в плоскости выходной щели. Полученный в монохроматоре спектр рассматривается визуально при помощи окуляра 1. Для установки положения спектральной линии в плоскости выходной щели имеется индекс в виде треугольника. Индекс наблюдается через окуляр. Вывод спектральной линии на индекс производится поворотом диспергирующих призм при помощи барабана 3. При повороте барабана на одно деление (2°) система призм поворачивается на 20 // .
Задачей данной работы является градуировка монохроматора, т.е. установление зависимости между длинами волн монохроматических пучков, проходящих через выходную щель, и соответствующими делениями шкалы 4 барабана.
Для градуировки прибора служит ртутная лампа, установленная под кожухом. Эта лампа – мощный источник света. Во время работы в лампе развивается до 30 атмосфер, поэтому обращаться с ней следует осторожно. Лампа дает линейчатый спектр (см. рис. 3).
Рис. 3
Все интенсивные спектральные линии отмечены на стандартном спектре крестиками.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Задание 1. Отградуировать монохроматор.
3.1.1. Включают ртутную лампу.
3.1.2. Поворачивая барабан, просматривают через окуляр весь спектр.
3.1.3. Совмещают с индексом окуляра последовательно линии ртути от красной до фиолетовой и делают отсчеты по барабану монохроматора, отмечая цвет линий.
3.1.4. Измерения повторяют два раза. При этом следует подводить каждую линию к центру щели только с одной стороны во избежание погрешности за счет люфта барабана.
3.1.5. Полученные данные заносят в таблицу (форма табл. 1).
Форма таблицы 1
Длина волны λ, нм
Отсчет по барабану
Среднее
значение
отсчетов ‹N›, … °
Источник
