reforef.ru 1

Отчет о лабораторной работе № 68

"Изучение поглощения света веществом"



Принимал: Осипов В.С.

Цель работы: исследовать зависимость оптической плотности и коэффициентов пропускания растворов от толщины поглощающего слоя, концентрации растворов, длины волны поглощаемого света. Определить коэффициенты поглощения исследуемых растворов в зависимости от длины волны.

Теоретическая часть:

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество, вследствие преобразования ее в различные формы внутренней энергии вещества или вторичного излучения других направлений и спектрального состава.

Вещество представляет собой как бы набор осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами затухания колебаний. Вблизи собственных частот колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах происходит резонанс с колебаниями электрического поля световой волны, что приводит к поглощению света. Энергия поглощенной световой волны полностью возвращается в виде вторичного излучения, если среда является идеально однородной. В реальных средах не вся поглощенная энергия возвращается в виде вторичного излучения, часть ее переходит в другие виды энергии, в частности, в тепловую, и тело нагревается. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.


Поглощение света в веществе описывается законом Бугера-Ламберта:

I = I0 e- l

где I0 и I - соответственно интенсивности монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной l;

 - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества.

Знак минус указывает на убыль интенсивности. Физический смысл коэффициента поглощения заключается в том, что он равен обратной величине толщины такого слоя, при котором интенсивность света I по сравнению с I0 уменьшается в e = 2.72 раза.


На рисунке представлены типичная зависимость коэффициента поглощения от частоты света и зависимость показателя преломления n от в области полосы поглощения (видно, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия - n убывает с увеличением ):

, n



n


0



Если поглощающее вещество растворено в прозрачном растворителе, то интенсивность поглощенного света будет определятся количеством молекул поглощающего вещества, приходящихся на единицу концентрации. Коэффициент поглощения является функцией концентрации:

С

где - коэффициент поглощения света для единицы концентрации растворенного вещества;


С - концентрация растворенного вещества.

Выражение

I = I0 e- сl

носит название закона Бугера-Ламберта-Бера (интегральная форма). В дифференциальной форме этот закон записывается следующим образом:

dI/I = Сdl

Отношение интенсивностей световых потоков, прошедшего (I) и падающего (I0) на вещество называется коэффициентом пропускания:


T = I/I0

Обратный логарифм коэффициента пропускания называется оптической плотностью:

D = -lnT = ln(I0/I) = Сl
Описание установки:

В данной работе используется однолучевой фотоэлектрический колориметр KFS-2, предназначенный для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности в видимом спектральном диапазоне от 340 до 850 нм.

Принципиальная схема:
















1

5

4

3

2

От источника 1 луч света проходит через светофильтр 2, кювету с жидкостью 3, а затем в фотоэлектрический усилитель 5, имеющий стрелочный индикатор с линейной шкалой (от 0 до 100%) для отсчета коэффициента пропускания Т и логарифмической шкалой (от 0 до для отсчета оптической плотности D. Для изменения интенсивности светового пучка в приборе имеется щель 4.


Для проверки законов поглощения в работе используются растворы солей в воде: а) нитрата никеля Ni(NO3)2 - зеленые кристаллы, б) дихромата калия K2Cr2O7 - оранжевые кристаллы.
Результаты измерений и расчетов:

Для исследуемого раствора: Т = 18.5 %, D = 0.74 при длине волны нм.

1). Исследование зависимости поглощения света от концентрации растворов:


Таблица 1


Раствор

N

C, моль/л

l, см

D

T, %

 моль-1л см

K2Cr2O7

1

0.4

1

0.6

25

1.5

2

0.2

1

0.64

10.6

3.2

3

0.05

1

0.23

60

4.6

4

Cx = 0.09

1

0.33

52

3.8


Опыт проведен для длины волны нм.

Величина Cx определена из графика и составляет 0.09 моль/л. Погрешность измерения составляет примерно 0.0125 моль/л (что соответствует 1 мм на графике). Таким образом Сx = 0.090.01 моль/л.


2). Исследование зависимости поглощения света от толщины слоя вещества:

Таблица 2


Раствор

N

C, моль/л

l, см

D

T, %

Ni(NO3)2

1

0.5

1

0.19

65

2

0.5

0.51

0.09

81

3

0.5

0.5

0.05

95

4

0.5

5

1

10


3). Исследование зависимости поглощения света веществом от длины волны:


Таблица 3


Раствор

, нм

D

T,%



K2Cr2O7

670

0.58

26.5

1.45

590

0.7

20

1.75

540

1.6

2.0

4

490



0



440



0



Ni(NO3)2

670

1.2

9

4.8

590

0.3

50

1.2

540

0.1

80

0.4

490


0.06

86

0.24

440

0.37

44

1.48


Вывод о работе: проделав данную работу, мы изучили зависимость оптической плотности и коэффициентов пропускания растворов от толщины поглощающего слоя, концентрации растворов, длины волны поглощаемого света, установив, что при малой концентрации раствора (K2Cr2O7) его оптическая плотность растет линейно, при дальнейшем же увеличении С линейность не наблюдается (рис. 1.1) - это объясняется физико-химическим взаимодействием молекул. Молярный коэффициент поглощения соответственно уменьшается (табл. 3).


Исследование зависимости поглощения света от толщины слоя вещества проводилось на растворе Ni(NO3)2. В ходе эксперимента установлено, что оптическая плотность D линейно возрастает с увеличением толщины слоя вещества (рис. 2.1), а коэффициент пропускания Т соответственно уменьшается (рис. 2.2).

При увеличении длины волны с 440 до 670 нм наблюдалось уменьшение оптической плотности оранжевого раствора K2Cr2O7 и ее увеличение у зеленого раствора Ni(NO3)2 (рис.3).