71733

Основы спектроскопии и колориметрии

Лабораторная работа

Физика

Охарактеризуйте электромагнитные волны различных диапазонов по способу получения того или иного вида излучения. Назовите виды спектров излучения и поглощения. Как изменяется спектр излучения твердого тела при нагревании Как связаны спектры излучения и поглощения с атомным...

Русский

2014-11-11

2.64 MB

15 чел.

250

Лабораторная работа №24

Основы спектроскопии и колориметрии

Цель работы: Изучить теоретические основы спектроскопии и колориметрии и применение их в качественном и количественном анализе химического состава вещества.

Приборы и принадлежности:

  1.  Дисперсионный двухтрубный спектроскоп.
  2.  Ртутная УФ-лампа или водородная газоразрядная трубка.
  3.  Лампа накаливания 6.3В на подставке.
  4.  Источник регулируемого напряжения (0-7В).
  5.  Фотоэлектрический колориметр.
  6.  Спиртовка или сухое горючее.
  7.  Поваренная соль.
  8.  Растворы известной и неизвестной концентрации (чернила).
  9.  Инструкции по эксплуатации приборов.

Литература

  1.  Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика», 1987.
  2.  Ливинцев Н.М. «Курс физики», 1978.
  3.  Савельев И.В. «Курс физики» ч. 3, 1968.

Вопросы входного контроля

  1.  Назовите основные характеристики электромагнитной волны.
  2.  Охарактеризуйте электромагнитные волны различных диапазонов по способу получения того или иного вида излучения.
  3.  Назовите виды спектров излучения и поглощения.
  4.  Как изменяется спектр излучения твердого тела при нагревании?
  5.  Как связаны спектры излучения и поглощения с атомным и молекулярным строением вещества?
  6.  Обосновать принцип определения концентрации вещества на основе изучения спектров поглощения.
  7.  Боровская теория водородоподобного атома и её использование для обоснования характеристик спектров излучения и поглощения.
  8.  Основные принципы строения оболочек многоэлектронных атомов.
  9.  Каково основное отличие молекулярных спектров от атомарных?
  10.  Краткая теория

1.1.Теоретическое обоснование

Различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. Для характеристики электромагнитной волны, так же как и механической, используют три основных параметра: - частота излучения, - длина волны и c – скорость распространения электромагнитной волны (в оптике – фотона или кванта), связанные между собой соотношением:

;

В зависимости от способов получения, вся шкала электромагнитных волн делится на 4 основные диапазона, которые по порядку убывания длины волны располагаются следующим образом:

  1.  радиоволны - электромагнитные волны с длиной волны . Радиоволны подразделяются на 5 диапазонов: длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (КВ), ультракороткие (УКВ) и радиоволны СВЧ - диапазона (сверхвысокочастотные). Получение радиоволн обусловлено переменными токами в проводниках или электронными потоками в специальных излучателях.
  2.  оптическое излучение - это электромагнитные волны с длиной волны от м до м, которое подразделяется на 3 основных диапазона: инфракрасное излучение (ИК) - м (1 мм  770 нм), видимое - м м (770 380 нм) и ультрафиолетовое излучение (УФ) - м м (380  10 нм). ИК-излучение разделено условно на 3 области :
  •  дальняя -  50 мкм или ( 50)10-6м;
  •  средняя - 50  2.5 мкм или (50 2.5)10-6м;
  •  ближняя - 2.5 0.75 мкм или (2.5 0.75)10-6м.

Излучение или поглощение электромагнитной энергии в оптическом диапазоне обусловлено переходами валентных (оптических) электронов из возбуждённого состояния в невозбуждённое при излучении, и из основного состояния в возбуждённое при поглощении квантов света. Возбуждение атомов и молекул, из которых состоит вещество, может достигаться различными способами: это может быть нагревание некоторого тела до высокой температуры, электрический разряд в газе или другие воздействия.

  1.  рентгеновское излучение - электромагнитные волны с длиной волны от м до м, возникающие при:
  •  внутриатомных процессах (электронные переходы между внутренними оболочками атома);
  •  захвате электронов внутренних оболочек атома ядром (характеристическое);
  •  замедленном движении электронов высоких энергий в поле тяжёлых атомов (тормозное).
  1.  гамма-излучение - электромагнитные волны с длиной волны м и менее. Оно образуется в результате внутриядерных превращений, при слиянии или распаде атомных ядер.

Рис. . Спектр электромагнитных излучений.

1.2. Спектры излучения (поглощения)

Изучение спектров различных тел послужило ключом к пониманию строения атомов и молекул. Упорядоченное расположение по частоте или длине волны компонент излучения (поглощения) называется спектром излучения (поглощения). В зависимости от природы излучающего вещества спектр может быть сплошным (непрерывным), линейчатым, полосатым или смешанным (см. рис. 2).

Рис. . Разновидности спектров излучения (поглощения): а) сплошной; б) линейчатый; в) полосатый; г) смешанный.

Линейчатые спектры испускаются отдельными возбуждёнными атомами - одноатомными газами или парами. Полосатый спектр испускают возбуждённые многоатомные молекулы. Сплошной (непрерывный) спектр испускают разогретые жидкости и твёрдые тела (рис. 2).

Смешанные спектры получаются в результате сложения простых спектров (полосатого и линейчатого), то есть, когда излучающее тело состоит из разнородных компонент (смесь одноатомного и многоатомного газов). Монохроматическое излучение (от греческого  - один и  - цвет), электромагнитное излучение одной определённой и строго постоянной длины (частоты) волны. Таким образом, спектр излучения одноатомного газа представляет собой серию отдельных частот (или длин волн), расположенных в определённом порядке.

Важнейшей особенностью является строгая индивидуальность спектра каждого химического элемента. Причём в соединениях эта индивидуальность также сохраняется. Поэтому по положению линий в спектре сложного соединения можно определить его качественный состав, а по сравнительной интенсивности линий - концентрацию отдельных компонентов.

Рис. 3. Спектр излучения (поглощения) атома водорода.

Электрический разряд в трубке, содержащей одноатомный газ (водород) под низким давлением, является источником излучения, анализ которого с помощью призменного спектрографа (спектроскопа) позволяет обнаружить серию отчётливых линий (линейчатый спектр) излучения. Видимая часть спектра атома водорода с длинами волн:

 

 = 0.4101; 0.4340; 0.4861; 0.6563 мкм

называется серией Бальмера по фамилии швейцарского физика, открывшего её.

Если в разрядной трубке использовать азот N2 или диоксид углерода CO2, то получится так называемый полосатый (молекулярный спектр), представляющий собой отдельные группы тесно расположенных линий. Белый свет от источника излучения с нитью накаливания (лампа накаливания) характеризуется сплошным спектром и содержит непрерывный набор длин волн (частот). Если свет от источника сплошного спектра (например, лампы накаливания) пропустить через кювету с газом или другим веществом, и затем разложить в спектр, то возникнет спектр поглощения. На спектрограмме получается сплошной спектр с темными линиями или полосами, которые занимают положение, соответствующее линиям излучения изучаемого вещества (обращение спектральных линий). Таким образом, если на пути луча поместить кювету с раствором какого-то вещества, то спектр поглощения, возникающий при этом, будет соответствовать роду этого вещества, а степень поглощения отдельных спектральных линий будет зависеть от концентрации растворённого вещества. Согласно закону Ламберта-Бугера-Бера интенсивность монохроматического света, прошедшего через слой поглощающего вещества толщиной l может быть определена по следующей формуле:

или

где l - толщина слоя вещества;

- длина волны монохроматического излучения;

- молярная концентрация;

- натуральный молярный монохроматический показатель поглощения;

 - эффективное сечение поглощения молекулы;

NA  - число Авогадро.

Отношение интенсивности излучения, прошедшего через вещество  к падающей  называют коэффициентом пропускания или пропускной способностью:

Оптическая плотность или экстинкция .

Если сделать замену  то соотношение (4) примет вид:

При измерении неизвестной концентрации c толщина слоя вещества l определяется размером используемой кюветы, а величина  находится по измерению оптической плотности этого же вещества известной концентрации c0, т.е. используется калибровочный раствор:

Обычно для более точного нахождения используют несколько калибровочных растворов одного и того же вещества различной концентрации c01, c02, c03, … и строят калибровочный график D=f(c) зависимости оптической плотности от концентрации вещества, при помощи которого определяют коэффициент

(см. рис. 6)

Спектры поглощения или излучения отдельных веществ могут располагаться в зависимости от их атомного и молекулярного строения, не только в видимой, но и в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Для их обнаружения и изучения необходимо применять приборы, чувствительные к излучению соответствующих длин волн.

Эмиссионные (излучения) спектры газов и паров возбуждаются посредством электрического разряда; твёрдых тел и жидкостей - путём нагревания до высокой температуры. У органических веществ, разрушающихся при высокой температуре, обычно исследуют абсорбционные спектры (спектры поглощения). Спектр поглощения - совокупность тёмных полос или линий, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его через данную среду.

1.3 Спектры поглощения

Вследствие дискретности квантовых переходов, соответствующих определённым энергетическим состояниям, вещество лучше всего способно поглощать как раз те фотоны, которые само бы излучало будучи возбуждённым. Это значит, что при прохождении белого света через вещество, часть фотонов со строго определёнными значениями энергий будет интенсивно поглощаться, а затем часть энергии будет излучена по всем направлениям, а другая часть поглощённой энергии перейдёт во внутреннюю энергию тела. Тогда после выхода из вещества белого света в его спектре появятся тёмные полосы или линии, порядок которых различен в зависимости от рода вещества. На этом эффекте основан метод спектрального анализа. Он нашёл широкое применение в биологии и медицине для проведения качественного и количественного анализа различных соединений, а также для изучения физико-химического строения биомолекул. Применение этого метода позволяет, не нарушая целостности клеток и тканей, наблюдать за ходом химических процессов в них, а также судить о строении и состоянии биологических структур. Таким образом, спектры являются источником различной уникальной информации, получить которую другими способами невозможно. Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анализа, по интенсивности спектральных линий можно определить количество поглощающих (изучающих) атомов или молекул, т.е. можно судить о концентрации растворённого вещества, по энергии поглощаемых квантов света можно судить о межатомных связях в молекуле и др. В медицине, например, при помощи спектрального анализа определяют микроэлементы в тканях организма; небольшие количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью; некоторые элементы в трупных тканях для целей судебной медицины и т.п.

Спектральный анализ позволяет исследовать наличие таких элементов в биологических тканях, как O, H, C, N, Ca, S, P, K, Si, Mg, Fe, Na, Au, Ra, Sr и другие, содержание которых колеблется от 10-6% до 10%. Установлено было, что в состав крови входят Al, Ca, Cu, Fe, K, Hg, Mn, Na, P, Si, Ti, Zn, Co, Cr, Ge, Pb, Ni, Sn, Sr, V и Ag. Кости и зубы человека содержат литий и стронций. В состав коровьего молока входят V, Sr, Pb и ряд других элементов.

В связи с возросшим интересом специалистов-биологов и медиков к микроэлементам как стимуляторам обмена веществ вопросы спектрального определения наличия и концентрации этих микроэлементов приобретают важное значение.

С помощью спектрального анализа в солнечной короне впервые был обнаружен гелий ещё до того, как его нашли на Земле.

1.4 Связь спектров излучения (поглощения)

со строением вещества

Одним из первых экспериментальных результатов, не нашедших объяснения с помощью законов классической физики является спектр излучения отдельных атомов и молекул, находящихся в возбуждённом состоянии, а также сплошной спектр излучения твёрдого тела (типа нити накаливания). Было замечено, что отдельные спектральные линии расположены не беспорядочно, как это может показаться на первый взгляд. Было также установлено, что:

а) для одного и того же химического элемента расположение линий одинаково как для спектров излучения так и для спектров поглощения и не зависит от температуры;

б) расположение спектральных линий различных элементов различно;

в) при конденсации вещества (переход пар→жидкость→твёрдое тело) спектр становится сплошным.

В 1885 г. физикам Бальмеру и Ридбергу удалось установить, что длины волн излучения атома водорода в видимой области спектра (серия Бальмера, см. рис. 3) могут быть точно описаны формулой

где - некоторая константа;

n (для серии Бальмера) - 3, 4, 5, …;

- длина волны излучения.

Или в волновых числах  

;

где n=3, 4, 5, …;

R=109737,309±0,012 см-1 - постоянная Ридберга.

Для n=3 λ=0,6563 мкм - красная линия в спектре (Hα);

n=4 λ=0,4861 мкм - голубая линия (Hβ);

n=5 λ=0,4340 мкм 

n=6 λ=0,4101 мкм

При n= λ=4/R≈0,5646 мкм - граница серии Бальмера, причём по
мере увеличения
n длины волн сближаются, а интенсивности линий ослабевают (рис. 3).

Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется ещё несколько серий излучения, невидимых человеческому глазу, которые лежат в УФ и ИК областях спектра:

в УФ Лаймана: , n=2, 3, 4, …;

В ИК Пашена: , n=4, 5, 6, …;

Брэкета: , n=5, 6, 7, …;

Пфунда: , n=6, 7, 8, … и др.

Общая формула для них (обобщённая формула Бальмера):

,

где при m=1, а n=2, 3, 4, … - серия Лаймана;

m=2, а n=3, 4, 5 … - видимая область Бальмера и т.д.

Успехи квантовой механики и предложенная Бором в 1911 году теория строения атома водорода позволила объединить закономерности, наблюдаемые в спектрах излучения и поглощения атома водорода, а в последствии и многоэлектронных атомов. Предложенная Бором квантово-механическая модель атома и сейчас является наиболее доступной в понимании строения атома, хотя и заменена более совершенной квантовой моделью Гейзенберга, Шредингера, Дирака, Зоммерфельда и др.

Бор создал свою теорию водородоподобного атома, основанную на следующих постулатах:

1. Электрон вращается вокруг протона в атоме водорода, совершая равномерное движение по круговой орбите под действием кулоновской силы и в соответствии с законами Ньютона.

2. Из всех возможных орбит являются разрешёнными только те, для которых момент импульса электрона равен целому, умноженному на :

; n=1, 2, 3 …,

где h - постоянная Планка; n - номер орбиты (главное квантовое число).

3. При движении электрона по разрешённой орбите атом не излучает энергию.

  1.  При переходе электрона с орбиты с энергией Ei на другую орбиту с энергией Ej и Ej< Ei излучается фотон с энергией

[эВ]

и частотой

[Гц]

См. рис. 4 (переход A→B с орбиты с номером n=5 на n=4), т.е. излучается фотон с частотой

[Гц]

С другой стороны, если фотон с энергией падает на атом, то он может быть поглощён, и электрон перейдет с орбиты с номером n=4 на орбиту с номером n=5 или (E4E5).

Таков в общих чертах механизм образования линейчатых спектров испускания и поглощения.

На основе постулатов, а также с использованием законов классической и квантовой механики Бор установил, что радиус орбиты электрона в водородоподобном атоме может принимать лишь ряд дискретных значений:

,

n=1, 2, 3, 4 ...;

m - масса электрона;

e - заряд электрона;

Z - число протонов в ядре ZH=1

Для первой неизлучающей орбиты водородоподобного атома (Z=1, n=1)

Å, (1Å=10-4 мкм)

Энергия, которой обладает электрон, находясь на неизлучающей орбите, в теории Бора определяется выражением

, n=1, 2, 3 …

Тогда для первой орбиты водородоподобного атома (Z=1, n=1)

E1=-13,6 эВ - минимальная энергия, необходимая для ионизации атома водорода.

При переходе атома водорода из состояния n в состояние m (n>m) → En>Em испускается квант света с энергией

;,

R - постоянная Ридберга.

Таким образом, мы пришли к обобщённой эмпирической формуле Бальмера через квантово-механическую модель атома водорода, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Схема энергетических уровней, определяемых выражением (15) приведена на рис. 7.

1.5 Строение электронных оболочек сложных атомов

При дальнейшем развитии теории Бора оказалось, что всё было просто, пока мы имеем один протон и один электрон. Попытки объяснить с её помощью спектры испускания и поглощения для атомов с большим числом электронов показали, что здесь должны учитываться и другие условия, которые значительно увеличивают число дозволенных энергетических уровней атома. В своей работе, посвящённой решению этого вопроса Зоммерфельд пришел к выводу, что наряду с круговыми (боровскими) орбитами имеют место и эллиптические, а состояние каждого электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами:

  1.  n - главное квантовое число. Оно определяет стационарные энергетические уровни атома (оболочки), которые наряду с цифрами могут обозначаться прописными буквами латинского алфавита.

n

1

2

3

4

5

6

7

K

L

M

N

O

P

Q

  1.  l - орбитальное квантовое число - определяет энергетические подуровни атома, соответствующие дозволенным значениям орбитального момента импульса электрона Ll:

Ll=(l+1)ħ=nħ; Ll=mVrn.

В ядерной модели l обуславливает форму (эллиптичность) орбиты электрона

где l= 0, 1, 2, 3, 4, 5, …, (n-1). Наряду с цифрами квантовые числа могут обозначаться и малыми буквами латинского алфавита (s, p, d, f, g, h, …). - соотношение большой и малой полуосей эллиптических орбит.

3. ml - магнитное квантовое число. Оно характеризует разрешённые положения, при которых проекция момента импульса Ll' на заданное направление Z кратна ħ

mlħ= Ll', m=0, ±1, …, ±l.

См. рис. 7.

Если n=3, то l= n-1=0, 1, 2; a ml=0, ±1, ±2.

  1.  ms - спиновое квантовое число. Характеризует ориентировку (знак) магнитного момента (спина) электрона

ms=±½

Электроны с одинаковыми главными квантовыми числами образуют электронные оболочки атома. В соответствии с остальными квантовыми числами в каждой оболочке количество электронов не может быть больше некоторого числа.

При заполнении оболочек должен выполняться принцип запрета Паули, он утверждает, что в атоме не может быть более чем одного электрона в данном энергетическом состоянии (все квантовые числа которого совпадают), это состояние описывается четырьмя квантовыми числами: n, l, ml, и ms.

Если n=1, то ml и l=0, следовательно, первая оболочка атома не может содержать более двух электронов с различными значениями спина ms=±½; так для оболочки с номером n=2 остальные квантовые числа могут принимать значения: l=0, 1; ml=-1, 0, 1 и ms=±½, то есть вторая оболочка может содержать 8 электронов (см. рис. 7).

В невозбуждённом состоянии все подоболочки атома, кроме самой верхней (валентной), заполнены и квантовые переходы между ними запрещены в соответствии с принципом Паули.  При возбуждении атома электроны с внешних подоболочек переходят на более высокие уровни в состояние с большей энергией (поглощение света). Если же атом возбуждён, то в некоторых верхних подоболочках существуют незаполненные состояния, в которые могут переходить электроны из возбуждённого состояния с большими значениями энергии. Такой переход сопровождается излучением кванта света. Наиболее просты спектры излучения щелочных металлов, у которых на внешней подоболочке имеется всего один электрон. Спектр атома гелия, у которого в невозбуждённом состоянии полностью заполнена единственная оболочка (n=1) более сложен, в оптическом диапазоне можно наблюдать до девяти спектральных линий. Ещё более сложное строение спектра излучения имеет такой многоэлектронный атом, как атом ртути (Hg). Атомные спектры занимают диапазон длин волн от УФ до ближней ИК.

1.6 Молекулярные спектры

Дискретность энергетического спектра свойственна не только атомам, она присуща любой системе взаимодействующих друг с другом микрочастиц - молекуле, полутвёрдому телу. Молекулы имеют более сложные спектры излучения, чем атомы. При соединении атомов в молекулу или кристалл претерпевают изменения их внешние (валентные) электронные оболочки, переходы между которыми ответственны за формирование спектра оптического диапазона испускания или поглощения. Это сопровождается расщеплением отдельных энергетических уровней в частично заполненные или свободные зоны. При этом число возможных электронных переходов и, следовательно, соответствующих им спектральных линий, возрастает. Оптические спектры молекул представляют собой уже не отдельные линии (переход с уровня на уровень), а совокупность близкорасположенных линий, характеризующих переход электронов с уровня в зону (серия близкорасположенных уровней энергии) или межзонные электронные переходы - таким образом формируется полосатый спектр излучения (поглощения). Молекулярные спектры гораздо сложнее атомарных, что определяется большой сложностью внутренних движений в молекуле, так как кроме энергии движения электронов относительно двух или более ядер (Eэл) в молекуле происходит колебательное движение атомов около положения равновесия (Eкол) и вращательное движение молекулы как целого (Eвр). Электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы соответствуют три типа уровней энергии Eэл, Eкол, Eвр.

Согласно квантовой механике энергия этих трёх видов движений в молекуле может принимать только определённые значения - квантуется. Полная энергия молекулы E приближённо может быть представлена в виде суммы квантовых значений энергии:

EEэл + Eкол + Eвр

(порядка от десятых долей до единиц электрон-вольт, эВ), где Eэл>>Eкол>>Eвр, где Eэл  - порядка от десятых долей до единиц эВ;

Eкол ~ 10-2  10-1 эВ;  Eвр ~ 10-4  10-2 эВ.

Следует отметить, что каждый вид энергии молекулы ответственен за формирование индивидуального для каждой молекулы спектра испускании (поглощения):

Eэл - полосы расположены в ближней ИК, видимой и УФ области спектра;

Eкол - полосы расположены, в основном, в средней и дальней ИК области спектра;

Eвр - полосы расположены в дальней ИК области и области СВЧ радиодиапазона, непосредственно примыкающей к ИК области оптического диапазона.

Таким образом, молекулярные спектры, в отличие от атомарных занимают более широкий диапазон длин волн от УФ до СВЧ области радиодиапазона. В зависимости от необходимости получить ту или иную информацию о молекулярном строении вещества, выбирают тот или иной диапазон длин волн, в котором будут производиться исследования спектров испускания или поглощения. Например, такую важную характеристику, как прочность межатомных связей в молекуле, можно получить, производя исследования спектров испускания или поглощения в ближней и средней ИК областях спектра (1  40 мкм); тройные связи в органических молекулах соответствуют жёстким пружинам поглощения при λ ≈ 4,3  5 мкм, что соответствует энергии кванта 0,3  0,25 эВ, они прочнее двойных λ ≈ 5,3  6,6 мкм (0,22  0,19 эВ), которые в свою очередь прочнее одинарных C-O, C-N, C-C), поглощают при λ ≈ 7,7  12,5 мкм (0,16  0,19 эВ).

Чем прочнее связь, тем больше частота её колебаний, тем большая энергия требуется, чтобы возбудить молекулу. Если известна длина волны излучения (в мкм), то энергия кванта в эВ может быть рассчитана по формуле:

[эВ]

1.7 Приборы и аппаратура, используемые

при спектральных исследованиях

I. Дисперсионный спектроскоп

Дисперсионный спектроскоп - наиболее простой спектральный прибор. Он предназначен для наблюдения спектров испускания и поглощения различных веществ в видимом диапазоне длин волн. Принцип действия основан на дисперсии - зависимости показателя преломления вещества от частоты или длины волны света. Это явление позволяет разделять фотоны с различной энергией при прохождении их через специальную преломляющую прозрачную призму, изготовленную в зависимости от спектрального диапазона из специального материала: для видимого света - тяжёлое стекло (флинт), для УФ области спектра - кварц, для ИК области - каменная соль NaCl, KBr или CaF2.

Схема устройства дисперсионного спектроскопа и ход лучей в преломляющей призме изображены на рис. 8.

Порядок подготовки прибора к работе и проведения измерений см. в п. 6 инструкции по эксплуатации спектроскопа.


II.
Фотоэлектрический колориметр (ФЭК)

Под колориметрией понимают спектральные исследования, позволяющие осуществлять определение концентрации растворённых веществ путём сравнения с раствором, содержащим то же самое растворённое вещество в известной концентрации.

Фотоэлектрический колориметр (ФЭК) служит для определения концентрации различных растворов. Принцип действия ФЭК основан на анализе отношений интенсивностей света, прошедшего через растворитель и раствор. Для повышения точности измерений используется свет преимущественно той длины волны, которая поглощается растворённым веществом наиболее сильно. Прибор построен по двухлучевой схеме, поэтому для расчёта коэффициента пропускания используется соотношение (3). Регистрация излучения, прошедшего через кювету с растворителем и кювету с раствором осуществляется полупроводниковыми фотоэлементами. После соответствующего преобразования электрических сигналов от них, реализуются соотношения (4) и (4’) - таким образом, информация об оптической плотности раствора выводится на индикатор - стрелочный измерительный прибор, расположенный на передней панели. Принципиальная схема колориметра представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема устройства колориметра.


Конструкция
и принцип действия

Излучение от источника сплошного спектра (лампа накаливания 1), пройдя через светофильтры, надетые на линзы-конденсоры (2) и (3) преобразуется в параллельные потоки лучей. Каждый поток проходит через соответствующую ирисовую диафрагму с изменяемым отверстием, далее сквозь прозрачную кювету с жидкостью (4 и 5) и попадает на фотоэлемент (6 и 7).

Напряжение, возникающее на выводах фотоэлемента при освещении, подаётся на мостовую измерительную схему, содержащую потенциометры (9) и (10) и микроамперметр (11). При попадании одинаковых потоков света на оба фотоэлемента стрелка микроамперметра остаётся на нуле. При неравенстве освещённостей фотоэлементов стрелка отклоняется пропорционально возникшей разности потенциалов в сторону соответствующего фотоэлемента. Скомпенсировать дисбаланс освещённостей и установить стрелку прибора на нуль можно с помощью ирисовых диафрагм.

С правой стороны прибора находятся два барашка (8), при помощи которых можно изменять чувствительность. Поворотом маленького барашка можно перекрывать поток излучения светонепроницаемой крышкой перед правым фотоэлементом. Если при перекрытом потоке с помощью потенциометров «грубо» (10) и «точно» (9) стрелка прибора устанавливается на 100, то при самом измерении одно деление шкалы равно пропусканию в размере 1%. Вторая крышка, поворачиваемая большим барашком, содержит фильтр с пропускной способностью, равной 10%. После подключения этого фильтра и установки разностного тока фотоэлементов на 100 по шкале прибора одно деление шкалы соответствует пропускной способности 0,1%. Если требуется чувствительность, равная от 1% до 0,1% пропускной способности в пересчёте на одно деление шкалы, то для этого нужно установить при включенном фильтре (большой барашек) стрелку на определённое значение между 0 и 100.

Например, установка на 50 делений по шкале означает, что одно деление шкалы соответствует пропускной способности в размере 0,2% (10%, делённые на количество установленных делений). Если требуется повышенная точность измерений, то к соединительным гнёздам (12) и (13) можно подключить измерительный прибор с большей чувствительностью.

Цветные светофильтры

Применение цветных светофильтров (пластинки из цветного стекла для выделения узкого спектрального интервала) в универсальном колориметре необходимо, с одной стороны, для повышения точности измерений, а с другой - для обеспечения исследования спектров исследуемых веществ.

Фильтры из цветного стекла (поглощающие фильтры)

Фильтры из цветного стекла главным образом предназначены для повышения чувствительности измерений, выполняемых при помощи универсального колориметра. Спектральная чувствительность встроенного фотоэлемента подобна чувствительности человеческого глаза, она максимальна в жёлтой части и снисходит по обе стороны спектра. В синих растворах, которые поглощают преимущественно в жёлтой области спектра при этом получается максимальная точность измерения. Благодаря этому уже при слабой окраске раствора получается большое отклонение стрелки. При жёлтых растворах, напротив, для такого же отклонения стрелки требуется гораздо большая концентрация. Применение дополнительных окрашенных фильтров позволяет повышать чувствительность измерений. Поэтому для окрашенных в жёлтый цвет растворов применяется синий фильтр, для окрашенных в красный цвет - зелёный фильтр и наоборот. Зелёный раствор поглощает в красном, а зелёный раствор, смешанный из синих и жёлтых красителей - в синем и жёлтом.

Метод измерения по отклонению стрелки

Проверив исправное действие прибора и соответствующую фильтрацию света, вставить в правую шахту кювету с чистым растворителем, например, водой, установить измерительный барабан, находящийся с левой стороны, сначала на нуль. Настроить оба потенциометра на 2,5. Фототок, возникающий при попадании света на фотоэлемент, показывается микроамперметром. Выполнить настройку стрелки измерительного прибора на нуль. Для этого надо сначала отрегулировать правую ирисовую диафрагму, регулирующий барашек которой расположен рядом со светонепроницаемой крышкой. Если не удается совершить настройку на нуль, то это может быть вызвано тем, что на левый фотоэлектрический приемник попадает намного больше света, чем на правый. При этом надо с помощью измерительного барабана ослабить соответствующий поток до достижения желаемой установки на нуль.

Затем необходимо настроить стрелку на конечное показание "100" по шкале. Для этого следует с помощью бокового барашка установить светонепроницаемую крышку перед правым фотоэлементом. На изображение, создаваемое теперь лишь левым фотоэлементом, воздействовать путём настройки обоих потенциометров так, чтобы стрелка измерительного прибора остановилась на делении 100. При удалении затемняющей крышки из хода лучей, стрелка должна возвращаться на нуль. Отклонения от нулевой точки устраняются поворотом измерительного барабана.

Если кюветы, наполненные водой, заменяются кюветой с исследуемым раствором, то отклонение стрелки показывает экстинкцию (оптическую плотность) раствора. Если вначале измерялись растворы с известной концентрацией, то эти данные могут быть использованы для построения эталонной кривой (экстинкция в зависимости от концентрации), по которой можно определить неизвестную концентрация исследуемого вещества. Как было сказано выше, чувствительность прибора можно увеличивать с помощью встроенного в прибор нейтрального светофильтра с пропускной способностью 10%, что желательно при слишком низкой пропускной способности исследуемых растворов, т.е. при высокой абсорбции (поглощении).

Настройка на нуль производится описанным образом. Поворачивая большой барашек на правой стороне прибора, включить нейтральный фильтр перед фотоэлементом. При этом фототок, первоначально протекающий через этот элемент, уменьшается в 10 раз. С помощью обоих потенциометров установить стрелку на деление 100. Одно деление шкалы соответствует пропускной способности, равной 0,1%. Полученный таким образом диапазон измерения позволяет определять по всей шкале пропускные способности в размере до 10%. Промежуточные значения чувствительности в диапазоне пропускной способности от 0,1% до 1% устанавливается так, как это описано в разделе «конструкция и принцип действия». При измерениях с повышенной чувствительностью невозможно совершать отсчёт экстинкции прямо по шкале. Для определения экстинкции отклонение стрелки надо отсчитывать по линейно-градуированной шкале, после чего можно определять пропускную способность , получающуюся при высокой чувствительности, затем надо определить экстинкцию (D) по формуле .

Ход расчёта можно пояснить на следующем примере. Пусть чувствительность прибора отрегулирована так, чтобы одно деление шкалы соответствовало пропускной способности, равной 0,4%. Исследуемый раствор вызывает отклонение стрелки на 15 делений шкалы. Тогда пропускная способность составит 6%, или 0,06. Следовательно, экстинкция равна .

Порядок выполнения измерений при помощи

фотоэлектрического колориметра

  1.  Подготовить прибор к работе. Для этого:
  •  установить переключатель прибора в положение «внутренний гальванометр»;
  •  проверить настройку стрелки микроамперметра на нулевое деление шкалы и при необходимости скорректировать
  1.  Включить прибор в сеть. Включить лампу и дать прогреться в течение 15 минут.
  2.  Настройка на нуль. Выбрать цветной светофильтр, требующиеся для колориметрических измерений и подключить фильтр перед правым тубусом линзы. Заложить в правую шахту кювету, наполненную растворителем. Полностью открыть обе ирисовые диафрагмы и переставить потенциометр на диапазон «2-3». Нулевую установку стрелки выполнять уменьшением правой, а по мере необходимости также и левой ирисовой диафрагм.
  3.  Настройка на «100». Кратковременно закрыть затемняющую заслонку (маленький барашек на правой стороне прибора). Повторить несколько раз настройки на «0» и «100».
  4.  Измерение. Заложить в правую шахту кювету, наполненную исследуемым раствором. Совершить отсчёт отклонения стрелки (см. метод измерения по отклонению стрелки). После каждого измерения промывать кювету растворителем (дистиллированной водой).

Задания к работе

  1.  Произвести градуировку спектроскопа по известному спектру ртути или водорода, записать показания в градуировочную таблицу и построить график.
  2.  Определить длину волны жёлтой линии в спектре натрия.
  3.  Произвести наблюдение спектра излучения нити накала лампочки при изменении накала от минимального до максимального значения (не превышать напряжение 7В!) Замеченные закономерности записать в отчёт.
  4.  Произвести калибровку ФЭК по растворам известной концентрации. Результаты измерений занести в таблицу и построить градуировочный график.
  5.  Определить при помощи ФЭК экстинкцию неизвестного раствора. По графику найти его концентрацию. Сделать необходимые построения на чертеже.

Внимание! Ультрафиолетовое излучение опасно для глаз! Запрещается снимать крышку включенной УФ лампы. Время её работы не более 10 минут.

Шаблон для записи результатов измерений

Градуировка спектроскопа по спектру ртути.

Цвет линии

Длина волны , нм

Показания винтового микрометра l

Фиолетовая

407,8

Синяя

434,8

Зелёная

546,1

Жёлтая

576,9

Градуировка спектроскопа по спектру водорода.

Цвет линии

Длина волны , нм

Показания винтового микрометра l

Фиолетовая (Hδ)

410,1

Фиолетовая (Hγ)

434,0

Голубая (Hβ)

486,1

Красная двойная (Hα)

656,3

Шаблон для построения градуировочного графика.

Жёлтой линии в спектре натрия соответствует показание микрометра _____, её длина волны (по графику) равна Na=_______ нм (табличное значение длин компонентов жёлтой двойной линии 588,995 нм и 589,592 нм). (На графике выполнить соответствующие построения).

Определение концентрации раствора с помощью ФЭК.

Концентрация раствора C, %

Известные растворы

Неизвестный раствор

Коэффициент пропускания

Экстинкция (оптическая плотность) D

Шаблон для построения графика зависимости экстинции от концентрации растворённого вещества.

Вывод: применение спектроскопии и колориметрии в медицине.

Вопросы выходного контроля

  1.  Назовите основные характеристики электромагнитной волны.
  2.  Охарактеризуйте электромагнитные волны различных диапазонов по способу получения того или иного вида излучения.
  3.  Назовите виды спектров излучения и поглощения.
  4.  Как изменяется спектр излучения твердого тела при нагревании?
  5.  Как связаны спектры излучения и поглощения с атомным и молекулярным строением вещества?
  6.  Обосновать принцип определения концентрации вещества на основе изучения спектров поглощения.
  7.  Боровская теория водородоподобного атома и её использование для обоснования характеристик спектров излучения и поглощения.
  8.  Основные принципы строения оболочек многоэлектронных атомов.
  9.  Каково основное отличие молекулярных спектров от атомарных?
  10.  Использование спектроскопии при медико-биологических исследованиях.
  11.  Объясните устройство и принцип действия простейшего спектрального прибора – спектроскопа.
  12.  Объясните принцип устройства фотоэлектрического колориметра.


(1)

М

СМ

МКМ

Радиоволны

ИК - излучение

УФ

Рентгеновское

γ - излучение

Дальняя

Сред-

няя

ИК - область

Длина волны в мкм

ИК

Видимая

УФ

Hα

Hβ

Hγ

Hδ

H

фиолетовые         голуб.     красная

+

n=1

n=3

n=5

n=43

n=2

A

B

C

D

E

G

3=E5-E3

4=E5-E2

1=E5-E4

2=E5-E4

Излученный фотон

Поглощённый фотон

Рис. 4. Излучение и поглощение света атомом (теория Бора).

(2)

C1 C2 C3 C4 C5

Рис. 6.

l

и - интенсивности монохроматического света.

Рис.5. Поглощение света веществом.

(3)

(4)

(4')

(4)

(5)

(6)

фиолетовые

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

n=1

n=2

n=3

n=4

n=5

n=

Серия Лаймана

(УФ - область спектра)

Серия Бальмера

(видимая область спектра)

Серия Пашена

(ИК - область спектра)

Hα Hβ Hγ Hδ

-13,6 эВ

-3,4

-0,84

-1,51

-0,54

0

Eп, эВ

Возбуждённое состояние

Основное состояние электрона в невозбуждённом атоме водорода

Рис. 7.

(17)

(16)

(18)

(19)

(20)

(21)

(21)

Рис. 8. Устройство дисперсионного  спектроскопа.

Прямая линия - теоретическая зависимость, точки - возможный разброс экспериментальных данных.

l

, нм

D

0

C, %

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6

г)

в)

б)

а)

λmax

J

λ, мкм


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6864. Визначення моментів тертя у підшипниках кочення 53 KB
  Визначення моментів тертя у підшипниках кочення Мета роботи: визначення моментів тертя у шарикопідшипниках. Розрахункові методи визначення моментів тертя у підшипниках кочення Моменти тертя Тп, Н.мм, у шарикопідшипниках із внутріш...
6865. Понятие и виды инвестиций. Источники инвестиций 44 KB
  Понятие и виды инвестиций. Источники инвестиций. Понятие инвестиции и их значение. Слово инвестиция происходит от латинского слова инвест-вкладывать. Если обратиться к терминологическому словарю - то это использование денег для полу...
6866. Понятие, субъекты и объекты инвестиционной деятельности 40.5 KB
  Понятие, субъекты и объекты инвестиционной деятельности. Понятие инвестиционной деятельности. - ФЗ от 25.01.99г. №39-ФЗ Об инвестиционной деятельности РФ, осуществляемой в форме капитальных вложений в статье 1 й предусматривает. Инвестиционная...
6867. Правовые основы инвестиционной деятельности 33 KB
  Правовые основы инвестиционной деятельности. Классификация правовых актов, регулирующих инвестиционную деятельность: -По уровням: Федеральные правовые акты Конституция (положения о праве собственности, положение о едином экономическом пр...
6868. Государственное регулирование инвестиций 108 KB
  Государственное регулирование инвестиций. Деятельность государственных органов. Формы и методы. 1 Создание благоприятных условий для развития инвестиционной деятельности: Совершенствование системы налогов. Установление специальных налого...
6869. Правовое регулирование деятельности инвестиционных фондов 39.5 KB
  Правовое регулирование деятельности инвестиционных фондов. Инвестиционные фонды - это: во-первых, финансовый механизм, при помощи которого частные лица передают денежные средства или иные активы в руки профессиональных менеджеров для управления...
6870. Виды паевых инвестиционных фондов 31 KB
  Виды паевых инвестиционных фондов: Открытые фонды. (в них инвестор имеет возможность купить или продать свой пай в любой рабочий день). Интервальные ПИФы (инвестор имеет возможность купить или продать свой пай только в определенны...
6871. Рынок ценных бумаг в РФ 32 KB
  Рынок ценных бумаг. Ценная бумага - документ, удостоверяющий с соблюдением установленной формы и обязательных реквизитов имущественные права, осуществление и передача которых возможны только при его предъявлении. П.1 ст. 142 ГК РФ. Признаки цен...
6872. Эмиссия центрального банка 50.5 KB
  Эмиссия ЦБ Вопросы. Этапы эмиссии ЦБ Проспект эмиссии ЦБ Федеральная служба по финансовым рынкам. 1 НПА: ФЗ от 22.04.1996 О рынке ЦБ. Признаки эмиссионных ЦБ: Закрепляет совокупность имущественных и неимущественных прав, п...