50202

Дослідження спектрального розподілу оптичної густини і визначення концентрацій водних розчинів

Лабораторная работа

Физика

В даній лабораторній роботі для дослідження спектрального розподілу оптичної густини розчинів використовується фотоелектричний спектрофотометр типу КФК3 оптична схема якого наведена на рис. Головним елементом оптичної схеми спектрофотометра є дифракційна гратка 4 яка працює на відбивання. За рахунок виникнення оптичної різниці ходу променів що відбиваються від кожного з елементів решітки на “екраніâ€ дзеркало 5 утворюється дифракційний спектр який спрямовується на вихідну діафрагму Д2 так що в її щілину проходить лише невелика...

Украинкский

2014-01-18

591.5 KB

2 чел.


Лабораторна робота № 21

Дослідження спектрального розподілу оптичної густини і визначення концентрацій водних розчинів

Мета роботи

Ознайомитись з принципом дії фотоелектричного спектрофотометра типу КФК–3, який використовується для проведення спектральних досліджень і навчитись визначати спектральний розподіл оптичної густини та концентрацію розчинів на прикладі розчину мідного купоросу 

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати закони геометричної оптики (§1.1.1), бути ознайомленим явищем поглинання світла (§2.6)

Прилади і обладнання

Фотоелектричний фотометр типу КФК–3, набір розчинів мідного купоросу різних концентрацій

Опис установки

Основною функцією спектрального приладу є просторове розділення на монохроматичні складові оптичного випромінювання і спрямування його на досліджуваний об’єкт. Таке завдання реалізується за допомогою основних елементів спектрального приладу прозорої для випромінювання призми або дифракційної гратки.

В даній лабораторній роботі для дослідження спектрального розподілу оптичної густини розчинів використовується фотоелектричний спектрофотометр типу КФК–3, оптична схема якого наведена на рис. 1. У спектрофотометрі можна умовно виділити дві основні частини оптичну і фотоелектричну. Головним елементом оптичної схеми спектрофотометра є дифракційна гратка 4, яка працює на відбивання. Така дифракційна гратка є дзеркальною поверхнею, яка розбита на велику кількість смужок (елементів) подібно до того, як це зроблено в дифракційній гратці, що працює на пропускання. Світло, що випромінюється лампочкою розжарення 1, після проходження конденсора 2 та діафрагми Д1 утворює вузький паралельний пучок світла, який попадає на дифракційну гратку. За рахунок виникнення оптичної різниці ходу променів, що відбиваються від кожного з елементів решітки, на “екрані” (дзеркало 5) утворюється дифракційний спектр, який спрямовується на вихідну діафрагму Д2 так, що в її щілину проходить лише невелика частина загального спектру. Цим досягається утворення пучка світла, що характеризується вузьким інтервалом довжин хвиль (7нм), який в подальшому спрямовується на досліджуваний розчин.

Обертаючи дифракційну гратку 4 навколо осі, паралельної її штрихам, спрямовують пучки світла на вихідну щілину з інтервалу довжин хвиль 315 –990 нм.

Рис. 1

Принцип дії фотометра ґрунтується на порівнянні світлових потоків, а саме світлового потоку , який проходить через кювету з дистильованою водою, і світлового потоку Ф, що пройшов через кювету з досліджуваним розчином. Світлові потоки  і Ф попадають на фотодіод, який перетворює їх в у струми  та , і разом з темновим струмом  фотодіода (коли фотодіод неосвітлений) обробляються мікропроцесорною системою фотометра. Чисельний результат обробки для коефіцієнта пропускання (прозорості) –  або оптичної густини D висвітлюється на цифровому табло приладу.

Загальний вигляд спектрофотометра КФК−3 зображено на рис. 2.

Рис. 2

1 – ручка встановлення довжин хвиль; 2 важіль переміщення кювет; 3 − кришка кюветного відсіку; 4 − клавіатура мікропроцесорної системи; 5 світлове табло

Коефіцієнт пропускання (прозорості) показує яка частина світлового потоку, що падає на досліджуваний обєкт і проходить через нього не поглинаючись:

      .                                 (1)

Оптична густина D речовини характеризує ступінь поглинання нею монохроматичного випромінювання і описується співвідношенням

      .                                                     (2)

Послідовність виконання роботи

ЗАВДАННЯ 1. Виміряти інтервали довжин хвиль , що відповідають різним кольорам

                         видимої частини спектра

Для цього (див. рис. 2):

  1.  Увімкнути спектрофотометр в мережу 220 В, відкрити кришку 3 кюветного відсіку і розмістити на шляху світлового променя картку білого паперу.
  2.  Встановити за допомогою ручки 1 найкоротшу довжину хвилі (=307 нм), яку можна одержати за допомогою спектрофотометра.
  3.  Збільшуючи довжину  хвилі, спостерігайте появу на паперовій картці випромінювання фіолетового кольору. Записати в таблицю 1 довжину хвилі, що відповідає “початку інтервалу” випромінювання цього кольору.
  4.  Обертаючи ручку 1, зафіксуйте довжину  хвилі, на якій закінчується інтервал випромінювання фіолетового кольору. Запишіть значення цієї довжини  в стовпчик “кінець інтервалу” таблиці 1.
  5.  Продовжуйте обертати ручку 1 і виконувати такі ж вимірювання для інших кольорів спектра. Отримані результати записувати в таблицю 1.

Таблиця 1

Колір світла

Початок інтервалу , нм

Кінець інтервалу , нм

фіолетовий

синій

зелений

жовтий

червоний

  1.  Зробіть висновок про можливість візуального сприйняття короткохвильової і довгохвильової околиць спектру даного приладу.

ЗАВДАННЯ 2. Виміряти коефіцієнти пропускання і оптичної густини досліджуваного    

                         розчину на фіксованій довжині хвилі випромінювання

Для цього (див. рис. 2):

  1.  Налити в одну кювету розчинник (дистильовану воду), а в іншу – досліджуваний розчин.
  2.  Розмістити заповнені кювети в кюветний відсік фотометра розчинник у віддалене положення, а досліджуваний розчин – у ближнє положення. Закрити кришку 3 відсіку.
  3.  Перевести важіль 2 переміщення кювет в крайнє ліве положення. При цьому на шляху світлового пучка розміщується кювета з розчинником.
  4.  Ручкою 1 встановити довжину хвилі = 600 нм.
  5.  При закритій кришці 3 фотометра натиснути клавішу “Г” (градуювання) на клавіатурі 4 мікропроцесорної системи. На нижньому світловому табло 5, ліворуч від коми, висвітиться символ “Г”.
  6.  Натиснути клавішу “П” на клавіатурі мікропроцесорної системи спектрофотометра. При цьому на табло 5 висвітиться символ “П”, а зліва від нього число 100% з можливим невеликим (2) відхиленням. Це означає, що розчинник має 100% прозорість.
  7.  Перевести важіль 2 в крайнє праве положення. При цьому на шляху монохроматичного пучка розміститься кювета з досліджуваним розчином, а на табло 5 одночасно висвітиться нове значення коефіцієнта пропускання, який характеризує прозорість досліджуваного розчину.
  8.  Проведіть два повторні вимірювання на цій же довжині хвилі і переконайтесь в надійності відтворення чисельних значень. Дані вимірювань запишіть в таблицю 2.
  9.  Провести вимірювання, повторюючи п.п. 5–8 цього завдання, однак замість клавіші “П” натисніть клавішу “Е”.
  10.  Обчислити середні значення вимірюваних величин.

Таблиця 2

№ п/п

, нм

, %

D,%

1

2

3

сер.

ЗАВДАННЯ 3. Провести вимірювання та побудувати графік спектрального розподілу

                         оптичної густини досліджуваного розчину

  1.  Встановити на фотометрі довжину хвилі =350 нм і виміряти оптичну густину досліджуваного розчину за методикою, наведеній в завданні 2.
  2.  Провести подальші вимірювання оптичної густини вздовж всього спектру з кроком =50 нм, записуючи результати в таблицю 3 (лівий стовпчик).
  3.  Встановіть довжину хвилі =375 нм, і знову з кроком =50 нм виконайте другу серію вимірювань спектрального розподілу оптичної густини, записуючи дані в правий стовпчик таблиці 3.
  4.  Обчислити енергію квантів E=h, що відповідають кожній із довжин хвиль наведених в таблиці 3, виразивши її в електрон–вольтах (еВ). Одержані результати записати в таблицю 3.
  5.  Побудуйте графік . Для цього, за даними таблиці 3 (лівий стовпчик) побудуйте експериментальні точки графіка для першої серії вимірювань, позначаючи їх кружками “о”, а потім для другої серії вимірювань (правий стовпчик), позначивши експериментальні точки, наприклад (). Проведіть через обидві системи точок єдину лінію графіка.
  6.  Користуючись таблицею 1, позначте на графіку штриховкою, застосувавши відповідний колір, області фіолетового, синього і червоного кольорів спектру.

Таблиця 3

, нм

Е, еВ

D

, нм

Е, еВ

D

350

375

400

425

450

475

500

525

550

575

600

625

Примітка Описана методика вимірювань дозволяє, з одного боку, переконатись в ступені відтворюваності фізичної закономірності. З іншого боку, вона дозволяє переконатись, чи не має даний розчин вузьких смуг селективного поглинання.

ЗАВДАННЯ 4. Визначення концентрації розчину за градуюальним графіком

Для цих вимірювань вибирають довжину хвилі, що відповідає зростанню графіка на поличці інтенсивності поглинання (рекомендоване значення =600 нм. Після чого:

  1.  Виміряти оптичну густину  розчину відомої концентрації.
  2.  Провести вимірювання оптичної густини для інших розчинів відомих концентрацій, які знаходяться на робочому місці. Результати вимірювань записати в таблицю 4.
  3.  Побудувати графік залежності оптичної густини D від концентрації  розчину  за даними таблиці 4.
  4.  Послідовно наливати в кювету досліджувані розчини з невідомими концентраціями і вимірювати їх оптичні густини . Отримані результати записати в таблицю 4.
  5.  Користуючись графіком, отриманим в п.п. 3 визначте концентрації розчинів. Результати вимірювань записати в таблицю 4.

Таблиця 4

Розчини з відомою концентрацією

Розчини з невідомою концентрацією

С, %

D

D

C,%

1

2

3

4

Контрольні запитання

  1.  Яка основна функція спектрального приладу?
  2.  Що є основним елементом оптичної схеми спектрофотометра КФК–3?
  3.  Що називається коефіцієнтом пропускання та оптичної густини?
  4.  Дайте відповідь на питання: “Як пояснити колір розчинів
  5.  Яку фізичну інформацію можна одержати із аналізу спектрального розподілу оптичної густини розчинів?

  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75289. Кризис в Западной Римской империи в III-V вв. и возникновение протофеодальных отношений 34 KB
  Кризис в Западной Римской империи в IIIV вв. В Западной Римской империи IV V вв. В различных частях Западной империи росли сепаратистские тенденции которые находили проявление как в политических выступлениях в захватах власти узурпаторами так и в появлении местных ересей например донатизма в Северной Африке. Эксплуатируемые массы империи представляли собой конгломерат множества социальных групп разделенных сословными перегородками и несовпадающими интересами.
75291. Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств 36.5 KB
  Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств. Победа на Каталаунских полях явилась последним крупным успехом Западной Римской империи. После этого началась политическая чехарда: за 21 год на престоле Западной Римской империи сменилось 9 правителей ставленников италийской или галльской знати варварской армии под командованием Рикимера сместившего или убравшего не одного августа а после его смерти в 472 г. Это время дальнейшего нарастания кризиса империи и стремительного сокращения ее границ.
75292. Победа частной собственности на крестьянский надел и причины разорения свободных франков 36.5 KB
  Победа частной собственности на крестьянский надел и причины разорения свободных франков. Усадебная земля согласно данным Салической правды находилась уже в индивидуальной собственности каждого франка. Наоборот луга и леса продолжали ещё находиться и в коллективной собственности и в коллективном пользовании всей крестьянской общины. Сосуществование разных видов собственности продолжалось сравнительно недолго и общинная форма собственности на пахотную землю соответствовавшая более низкому уровню производительных сил уступила место...
75293. Начало переворота в поземельных отношениях у франков: бенефициальная реформа Карла Мартелла 38 KB
  Иногда наряду с аллодом они владели землями как мелкие вотчинники составлявшие промежуточный слой между феодалами и свободными крестьянами. Вопервых она значительно укрепила складывавшийся слой мелких и средних феодалов которые в качестве професси нальных воинов стали основой конного ополчения и всей военной организации; они были предшественниками будущего рыцарства. Широкий слой бенефициариев жил целиком эксплуатацией зависимого крестьянства. Укрепившийся благодаря ей слой средних феодальных землевладельцевбенефициариев составил на...
75294. Завершение переворота в поземельных отношениях и складывание основ феодализма при Каролингах 48 KB
  Поэтому даже теряя аллоды свободные общинники брали у феодалов землю в пользование на условии выполнения определенных повинностей. Существовали прекарии нескольких видов; иногда такое условное держание передавалось человеку у которого было недостаточно или вовсе не было земли precri dt но иногда мелкий собственник сам передавал под давлением нужды и насилий соседних крупных землевладельцев право собственности на свою землю одному из них чаще всего церкви и получал эту же землю обратно в качестве прекария пожизненно или...
75295. Франкское государство и общество при Каролингах. Каролингское Возрождение 37 KB
  Карл и его приближенные видели в новой державе возрождение Западной Римской империи франкского короля манил титул императора. Так на западе возникла новая империя что вызвало конфликт между Карлом и Византией императоры которой считали себя единственными наследниками старой Римской империи. Новые рубежи империи были укреплены пограничными областями марками. и международный престиж империи Каролингов: покровительства Карла домогались короли Шотландии и Астурии вожди племенных ирландских княжеств.
75296. Византийское общество и государство в IV-VI вв. Византия при Юстиниане I 41.5 KB
  Наивысшего расцвета Византийская империя достигла в правление императора Юстиниана I 527 565. Его дядя император Юстин I 518 527 возведенный на престол солдатами сделал Юстиниана своим соправителем. Историограф Юстиниана Прокопий Кесарийский в своих официальных трудах и в Тайной истории создал двойственный образ императора: жестокий тиран и властный честолюбец уживался в нем с мудрым политиком и неутомимым реформатором. Танцовщица и куртизанка Феодора благодаря своей редкой красоте уму и твердой воле покорила Юстиниана стала его...
75297. Заключительный период в истории позднеантичного мира 30.5 KB
  Дигесты выдержки из сочинений римских юристов и наконец Новеллы законы самого Юстиниана. Правление Юстиниана ознаменовано обострением социальной напряженности в обществе. Наиболее крупными были неудачи внешней политики Юстиниана на севере Балканского полуострова набеги варваров.