في أي وحدات يتم قياس الكثافة الضوئية؟ الكثافة البصرية

أي جسيم سواء كان جزيئا أو ذرة أو أيونا فإنه نتيجة امتصاصه لكمية من الضوء يذهب إلى أكثر مستوى عالحالة الطاقة. في أغلب الأحيان، يحدث الانتقال من الأرض إلى الحالة المثارة. يؤدي هذا إلى ظهور نطاقات امتصاص معينة في الأطياف.

يؤدي امتصاص الإشعاع إلى حقيقة أنه عند مروره عبر مادة ما، تقل شدة هذا الإشعاع مع زيادة عدد جزيئات المادة ذات الكثافة الضوئية المحددة. تم اقتراح طريقة البحث هذه بواسطة V. M. Severgin في عام 1795.

تعتبر هذه الطريقة مناسبة بشكل أفضل للتفاعلات التي تكون فيها المادة الحليلة قادرة على التحول إلى مركب ملون، مما يسبب تغيرًا في لون محلول الاختبار. وبقياس امتصاصه للضوء أو مقارنة اللون بمحلول معروف التركيز يسهل معرفة نسبة المادة في المحلول.

القانون الأساسي لامتصاص الضوء

يكمن جوهر التحديد الضوئي في عمليتين:

وتحويل الحليلة إلى مركب يمتص الاهتزازات الكهرومغناطيسية؛
قياس شدة امتصاص هذه الاهتزازات ذاتها بمحلول المادة قيد الدراسة.

التغييرات في شدة الضوء التي تمر عبر المادة الممتصة للضوء ستحدث أيضًا بسبب فقدان الضوء بسبب الانعكاس والتشتت. لكي تكون النتيجة موثوقة، يتم إجراء دراسات موازية لقياس المعلمات عند نفس سماكة الطبقة، في تربيعات متماثلة، وبنفس المذيب. وبالتالي، فإن الانخفاض في شدة الضوء يعتمد بشكل أساسي على تركيز المحلول.

يتميز الانخفاض في شدة الضوء المنقولة عبر المحلول (ويسمى أيضًا النقل) T:

T = أنا / أنا 0، حيث:

I هي شدة الضوء المنقولة عبر المادة؛
I 0 هي شدة شعاع الضوء الساقط.

وهكذا، تظهر النفاذية نسبة تدفق الضوء غير الممتص الذي يمر عبر المحلول قيد الدراسة. تسمى الخوارزمية العكسية لقيمة النفاذية الكثافة البصرية للحل (D): D = (-lgT) = (-lg) * (I / I 0) = lg * (I 0 / I).

توضح هذه المعادلة المعلمات الرئيسية للدراسة. وتشمل هذه الطول الموجي للضوء، وسمك الكوفيت، وتركيز المحلول والكثافة البصرية.

قانون بوغير-لامبرت-بير

هو التعبير الرياضي، عرض اعتماد الانخفاض في شدة تدفق الضوء أحادي اللون على تركيز المادة الممتصة للضوء وسمك الطبقة السائلة التي يمر من خلالها:

أنا = أنا 0 * 10 -ε·С·ι، حيث:

ε — معامل امتصاص الضوء؛
C هو تركيز المادة، مول/لتر؛
ι سمك طبقة المحلول المحلل سم .

بعد التحويل، يمكن كتابة هذه الصيغة: I / I 0 = 10 -ε·С·ι.

يتلخص جوهر القانون في ما يلي: المحاليل المختلفة لنفس المركب ذات التركيز المتساوي وسمك الطبقة في الكوفيت تمتص نفس الجزء من الضوء الساقط عليها.

وبأخذ المعادلة الأخيرة لوغاريتميًا، يمكننا الحصول على الصيغة: D = ε * C * ι.

من الواضح أن الكثافة الضوئية تعتمد بشكل مباشر على تركيز المحلول وسمك طبقته. يصبح واضحا المعنى الجسديمعامل الامتصاص المولي. وهو يساوي D للمحلول أحادي المولي ولطبقة سمكها 1 سم.

القيود على تطبيق القانون

يتضمن هذا القسم العناصر التالية:

إنه صالح حصريًا للضوء أحادي اللون.
يرتبط المعامل ε بمعامل الانكسار للوسط، ويمكن ملاحظة الانحرافات القوية بشكل خاص عن القانون عند تحليل المحاليل عالية التركيز.
يجب أن تكون درجة الحرارة عند قياس الكثافة الضوئية ثابتة (ضمن عدة درجات).
يجب أن يكون شعاع الضوء متوازياً.
يجب أن يكون الرقم الهيدروجيني للوسط ثابتًا.
وينطبق القانون على المواد التي تكون مراكز امتصاصها للضوء عبارة عن جسيمات من نفس النوع.

طرق تحديد التركيز

يجدر النظر في طريقة الرسم البياني للمعايرة. ولبنائه يتم تحضير سلسلة من المحاليل (5-10) بتراكيز مختلفة من مادة الاختبار وقياس كثافتها الضوئية. استناداً إلى القيم التي تم الحصول عليها، يتم إنشاء رسم بياني لـ D مقابل التركيز. الرسم البياني عبارة عن خط مستقيم يبدأ من نقطة الأصل. يسمح لك بتحديد تركيز المادة بسهولة بناءً على نتائج القياسات.

هناك أيضًا طريقة للمواد المضافة. يتم استخدامه بشكل أقل تكرارًا من السابق، ولكنه يسمح لك بتحليل حلول التركيب المعقد، لأنه يأخذ في الاعتبار تأثير المكونات الإضافية. جوهرها هو تحديد الكثافة البصرية للوسط D x الذي يحتوي على الحليلة ذات التركيز غير المعروف C x، c إعادة التحليلنفس الحل ولكن مع إضافة كمية معينة من مكون الاختبار (C st). تم العثور على قيمة C x باستخدام الحسابات أو الرسوم البيانية.

ظروف الدراسة

لكي تعطي الدراسات الضوئية نتائج موثوقة، يجب استيفاء عدة شروط:

يجب أن ينتهي التفاعل بسرعة وبشكل كامل، بشكل انتقائي وقابل للتكرار؛
يجب أن يكون لون المادة الناتجة ثابتا مع مرور الوقت ولا يتغير تحت تأثير الضوء؛
يتم أخذ مادة الاختبار بكمية كافية لتحويلها إلى شكل تحليلي؛
يتم إجراء قياسات الكثافة الضوئية في نطاق الطول الموجي الذي يكون فيه الفرق في امتصاص كواشف البداية والمحلول الذي تم تحليله أكبر؛
يعتبر امتصاص الضوء للمحلول المرجعي صفرًا بصريًا.

الكثافة البصرية

د، مقياس عتامة طبقة المادة لأشعة الضوء. يساوي اللوغاريتم العشري لنسبة التدفق الإشعاعي (انظر التدفق الإشعاعي) F 0 حادثة على الطبقة، إلى ضعف التدفق نتيجة الامتصاص والتشتت Fمرت عبر هذه الطبقة: د=سجل( F 0 /F)، بخلاف ذلك، O.P. هو لوغاريتم مقلوب معامل النفاذية لطبقة من المادة: د= سجل (1/τ). (في تعريف المرجع الطبيعي، والذي يستخدم أحيانًا، يتم استبدال اللوغاريتم العشري lg بـ ln الطبيعي.) تم تقديم مفهوم المرجع السابق بواسطة R. Bunsen؛ يتم استخدامه لتوصيف توهين الإشعاع البصري (انظر الإشعاع البصري) (الضوء) في طبقات وأغشية المواد المختلفة (الأصباغ والمحاليل والنظارات الملونة والحليبية، وما إلى ذلك)، في مرشحات الضوء والمنتجات البصرية الأخرى. O. p. تستخدم على نطاق واسع بشكل خاص ل تحديد الكمياتطبقات فوتوغرافية مطورة في كل من التصوير الفوتوغرافي بالأبيض والأسود والملون، حيث تشكل طرق قياسها محتوى نظام منفصل - قياس الكثافة (انظر قياس الكثافة). هناك عدة أنواع من الإشعاع البصري حسب طبيعة الإشعاع الساقط وطريقة قياس التدفقات الإشعاعية المنقولة ( أرز. ).

يعتمد تردد التشغيل على مجموعة الترددات ν (الأطوال الموجية π) التي تميز التدفق الأصلي؛ قيمتها للحالة المقيدة لواحد ν تسمى أحادية اللون O. منتظم ( أرز. ، أ) O.P أحادية اللون لطبقة من وسط غير مبعثر (دون مراعاة تصحيحات الانعكاس من الحدود الأمامية والخلفية للطبقة) تساوي 0.4343 ك ν ل، أين ك ν - مؤشر الامتصاص الطبيعي للبيئة، ل- سمك الطبقة ( ك ν ل= κ cl- الأس في معادلة Bouguer - Lambert - Beer law a؛ إذا كان لا يمكن إهمال التشتت في الوسط، كν يتم استبداله بمؤشر التوهين الطبيعي). بالنسبة لخليط من المواد غير المتفاعلة أو مجموعة من الوسائط الموجودة واحدة تلو الأخرى، تكون العتامات من هذا النوع مضافة، أي تساوي مجموع نفس العتامات للمواد الفردية أو الوسائط الفردية، على التوالي. وينطبق الشيء نفسه على الإشعاع العادي غير أحادي اللون (إشعاع ذو تركيبة طيفية معقدة) في حالة الوسائط ذات الامتصاص غير الانتقائي (المستقل عن ν). عادية غير أحادية اللون إن OP لمجموعة من الوسائط ذات الامتصاص الانتقائي أقل من مجموع OP لهذه الوسائط. (للاطلاع على أدوات قياس O. p. راجع المقالات مقياس الكثافة، مقياس الضوء الدقيق، التصوير الجوي الطيفي، مقياس الطيف الضوئي، مقياس الطيف الضوئي، مقياس الضوء.)

أشعل.: Gorokhovsky Yu. N.، Levenberg T. M.، قياس الحساسية العامة. النظرية والتطبيق، م.، 1963؛ جيمس تي، هيغنز جيه، أساسيات نظرية عملية التصوير الفوتوغرافي، عبر. من الإنجليزية، م، 1954.

إل إن كابورسكي.

أنواع الكثافة الضوئية للطبقة المتوسطة اعتمادًا على هندسة الإشعاع الساقط وطريقة قياس تدفق الإشعاع المرسل (في نظام قياس الحساسية المعتمد في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية): أ) يتم تحديد الكثافة الضوئية العادية D II عن طريق توجيه التدفق الموازي إلى الطبقة المتعامدة معها وقياس فقط ذلك الجزء من التدفق المنقول الذي احتفظ بالاتجاه الأصلي ؛ ب) لتحديد الكثافة البصرية المتكاملة D ε، يتم توجيه التدفق الموازي بشكل عمودي على الطبقة، ويتم قياس التدفق المرسل بالكامل؛ ج) و د) طريقتان للقياس تستخدمان لتحديد نوعين من الكثافة البصرية المنتشرة D ≠ (تدفق الحوادث - منتشر بشكل مثالي). يعمل الفرق D II - D ε كمقياس لتشتت الضوء في الطبقة المقاسة.

الموسوعة السوفيتية الكبرى. - م: الموسوعة السوفيتية. 1969-1978 .

الغرض من العمل هو تحديد تركيز المواد باستخدام طريقة القياس اللوني.

I. المصطلحات والتعاريف

الحل القياسي (ريال)- هذا محلول يحتوي لكل وحدة حجم على كمية معينة من مادة الاختبار أو معادلها التحليلي الكيميائي (GOST 12.1.016 - 79).

حل الاختبار (ir) - هذا هو الحل الذي من الضروري فيه تحديد محتوى مادة الاختبار أو معادلها التحليلي الكيميائي (GOST 12.1.016 - 79).

مخطط المعايرة- تعبير رسومي عن اعتماد الكثافة الضوئية للإشارة على تركيز مادة الاختبار (GOST 12.1.016 - 79).

الحد الأقصى المسموح به للتركيز (MPC)) مادة ضارة - هذا هو التركيز الذي، مع العمل اليومي (باستثناء عطلات نهاية الأسبوع) لمدة 8 ساعات أو ساعات عمل أخرى، ولكن ليس أكثر من 40 ساعة في الأسبوع طوال فترة العمل بأكملها، لا يمكن أن يسبب أمراضًا أو مشاكل صحية تم اكتشافها بواسطة طرق البحث الحديثة، في عملية العمل أو على المدى الطويل لحياة الأجيال الحالية أو اللاحقة (GOST 12.1.016 - 79).

قياس الألوان -هذه طريقة للتحليل الكمي لمحتوى الأيون في محلول شفاف، بناءً على قياس شدة لونه.

ثانيا. الجزء النظري

تعتمد طريقة التحليل اللونية على العلاقة بين كميتين: تركيز المحلول وكثافته البصرية (درجة التلوين).

يمكن أن يكون سبب لون المحلول إما وجود الأيون نفسه (MnO 4 -، Cr 2 O 7 2-) ), وتكوين مركب ملون نتيجة التفاعل الكيميائي للأيون محل الدراسة مع الكاشف.

على سبيل المثال، أيون Fe 3 ذو اللون الضعيف + يعطي مركبًا أحمر اللون عند تفاعله مع أيونات الثيوسيانات SCH -، ويشكل أيون النحاس Cu 2+ أيون مركب أزرق لامع 2 + عند التفاعل مع محلول مائي من الأمونيا.

يرجع لون المحلول إلى الامتصاص الانتقائي لأشعة الضوء ذات طول موجي معين: يمتص المحلول الملون تلك الأشعة التي يتوافق طول موجتها مع اللون المكمل. على سبيل المثال: يُطلق على اللون الأزرق والأخضر والأحمر والأزرق والأصفر ألوانًا تكميلية.

يظهر محلول ثيوسيانات الحديد باللون الأحمر لأنه يمتص الأشعة الخضراء في الغالب (  5000Á) وينقل تلك الحمراء؛ على العكس من ذلك، فإن المحلول ذو اللون الأخضر ينقل الأشعة الخضراء ويمتص الأشعة الحمراء.

تعتمد طريقة التحليل اللونية على قدرة المحاليل الملونة على امتصاص الضوء في نطاق الطول الموجي من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء. يعتمد الامتصاص على خصائص المادة وتركيزها. وبطريقة التحليل هذه، تكون المادة قيد الدراسة جزءًا من محلول مائي يمتص الضوء، ويتم تحديد كميتها من خلال التدفق الضوئي الذي يمر عبر المحلول. يتم إجراء هذه القياسات باستخدام أجهزة قياس الألوان الضوئية. يعتمد عمل هذه الأجهزة على التغيرات في شدة تدفق الضوء عند المرور عبر المحلول، اعتمادًا على سمك الطبقة ودرجة اللون والتركيز. مقياس التركيز هو الكثافة البصرية (د). كلما زاد تركيز المادة في المحلول، زادت الكثافة الضوئية للمحلول وقلت نفاذية الضوء، وتتناسب الكثافة الضوئية للمحلول الملون طرديًا مع تركيز المادة في المحلول. ويجب قياسه عند الطول الموجي الذي تتمتع فيه المادة قيد الدراسة بأقصى قدر من امتصاص الضوء. ويتم تحقيق ذلك عن طريق اختيار المرشحات الضوئية والصناديق للمحلول.

يتم الاختيار الأولي للكفيت بصريًا وفقًا لكثافة لون المحلول. إذا كان المحلول ملونًا بشكل مكثف (داكن)، فاستخدم الترعة ذات الطول الموجي القصير للعمل. في حالة المحاليل ذات الألوان الضعيفة، يوصى باستخدام الترعة ذات الطول الموجي الأطول. يتم سكب المحلول في كفيت محدد مسبقًا، ويتم قياس كثافته الضوئية عن طريق تشغيل مرشح الضوء في مسار الأشعة. عند قياس سلسلة من المحاليل، يتم ملء الكوفيت بمحلول متوسط التركيز. إذا كانت قيمة الكثافة الضوئية التي تم الحصول عليها حوالي 0.3-0.5، فسيتم تحديد هذا الكوفيت للعمل مع هذا الحل. إذا كانت الكثافة الضوئية أكثر من 0.5-0.6، فاستخدم كفيت بطول موجة عمل أقصر، وإذا كانت الكثافة الضوئية أقل من 0.2-0.3، فاختر كفيت بطول موجة عمل أطول.

تتأثر دقة القياسات بشكل كبير بنظافة حواف عمل الكوفيت. خلال العمل يتم إمساك الكوفيت بالأيدي فقط من خلال الحواف غير العاملة، وبعد ملئه بالمحلول راقب بعناية عدم وجود حتى أصغر فقاعات الهواء على جدران الترعة.

وفقا للقانون بوغوير لامبرت باير، تعتمد نسبة الضوء الممتص على سمك طبقة المحلول ح، تركيز المحلول جوشدة الضوء الساقط أنا 0

حيث أنا - شدة الضوء التي تمر عبر المحلول الذي تم تحليله؛

I هي شدة الضوء الساقط؛

h هو سمك طبقة المحلول؛

C هو تركيز المحلول.

معامل الامتصاص هو قيمة ثابتة لمركب ملون معين.

وبأخذ لوغاريتم هذا التعبير نحصل على:

(2)

حيث D هي الكثافة البصرية للحل قيمة ثابتةلكل مادة.

الكثافة الضوئية D تميز قدرة المحلول على امتصاص الضوء.

إذا كان المحلول لا يمتص الضوء على الإطلاق، فإن D = 0 و I t =I، لأن التعبير (2) يساوي صفرًا.

إذا امتص المحلول أشعة الضوء بالكامل، فإن D يساوي ما لا نهاية وI = 0، لأن التعبير (2) يساوي ما لا نهاية.

إذا امتص المحلول 90% من الضوء الساقط، فإن D = 1 و

أنا t =0.1، لأن التعبير (2) يساوي واحدًا.

لإجراء حسابات لونية دقيقة، يجب ألا يتجاوز التغير في الكثافة الضوئية نطاق 0.1 - 1.

بالنسبة إلى محلولين لهما طبقة مختلفة في السماكة والتركيز، ولكن بنفس الكثافة البصرية، يمكننا أن نكتب:

د = ح 1 ج 1 = ح 2 ج 2,

لمحلولين لهما نفس السمك ولكن بتركيزات مختلفة يمكننا أن نكتب:

د 1 = ح 1 ج 1 و د 2 = ح 2 ج 2،

كما يتبين من التعبيرين (3) و (4)، من الناحية العملية، لتحديد تركيز المحلول باستخدام الطريقة اللونية، من الضروري أن يكون لديك حل قياسي، أي حل ذو معلمات معروفة (ج، د).

يمكن أن يتم التعريف بطرق مختلفة:

1. يمكنك معادلة الكثافات الضوئية للاختبار والمحاليل القياسية عن طريق تغيير تركيزها أو سمك طبقة المحلول؛

2. يمكنك قياس الكثافة الضوئية لهذه المحاليل وحساب التركيز المطلوب باستخدام التعبير (4).

لتنفيذ الطريقة الأولى، يتم استخدام أجهزة خاصة - مقاييس الألوان. وهي تعتمد على تقييم بصري لشدة الضوء المنقول، وبالتالي فإن دقتها منخفضة نسبيًا.

الطريقة الثانية - قياس الكثافة الضوئية - يتم تنفيذها باستخدام أدوات أكثر دقة - مقاييس الألوان الضوئية ومقاييس الطيف الضوئي، وهذه هي الطريقة المستخدمة في هذا العمل المخبري.

عند العمل باستخدام مقياس الألوان الضوئي، غالبًا ما يتم استخدام تقنية إنشاء رسم بياني للمعايرة: حيث يتم قياس الكثافة البصرية للعديد من الحلول القياسية وإنشاء رسم بياني في الإحداثيات د = و(ج).ثم يتم قياس الكثافة البصرية لمحلول الاختبار ويتم تحديد التركيز المطلوب من الرسم البياني للمعايرة.

المعادلة بوغوير لامبرت بايرهذا صحيح فقط بالنسبة للضوء أحادي اللون، لذلك يتم إجراء قياسات لونية دقيقة باستخدام مرشحات الضوء - لوحات ملونة تنقل أشعة الضوء في نطاق معين من الطول الموجي. للعمل، حدد مرشح الضوء الذي يوفر أقصى كثافة بصرية للحل. تنقل مرشحات الضوء المثبتة على مقياس الألوان الضوئي الأشعة ليس ذات طول موجي محدد بدقة، ولكن في نطاق محدود معين. ونتيجة لذلك، فإن خطأ القياس على مقياس الألوان الضوئي لا يزيد عن ±3 % على وزن الحليلة. يتم استخدام الضوء أحادي اللون بشكل صارم في أجهزة خاصة - مقاييس الطيف الضوئي، التي تتمتع بدقة قياس أعلى.

تعتمد دقة القياسات اللونية على تركيز المحلول ووجود الشوائب ودرجة الحرارة وحموضة وسط المحلول وزمن التحديد. يمكن لهذه الطريقة تحليل المحاليل المخففة فقط، أي تلك التي يعتمد عليها د = و(ج)-مستقيم.

عند تحليل المحاليل المركزة، يتم تخفيفها أولاً، وعند حساب التركيز المطلوب، يتم إجراء تصحيح للتخفيف. ومع ذلك، تنخفض دقة القياس.

يمكن أن تؤثر الشوائب على دقة القياسات إما عن طريق إنتاج مركب ملون مع الكاشف المضاف أو عن طريق إعاقة تكوين مركب ملون للأيون قيد الدراسة.

تُستخدم طريقة التحليل اللوني حاليًا لإجراء التحليلات في مختلف مجالات العلوم. فهو يسمح بإجراء قياسات دقيقة وسريعة باستخدام كميات ضئيلة من المادة، وهي غير كافية للتحليل الحجمي أو الوزني.

المحاليل الملونة باستخدام المكثف

المسعر الكهروضوئي KFK-2

الهدف من العمل: دراسة ظاهرة توهين الضوء عند مروره خلال مادة والخصائص الضوئية للمادة، دراسة جهاز مسعر التركيز الكهروضوئي KFK-2 وطريقة العمل به، تحديد الكثافة الضوئية وتركيز المحلول الملون باستخدام KFK-2.

الأجهزة والملحقات: مسعر التركيز الكهروضوئي KFK - 2، محلول الاختبار، مجموعة المحاليل ذات التركيز القياسي.

نظرية التشغيل

عندما يسقط الضوء على السطح البيني بين وسطين، ينعكس الضوء جزئياً وينفذ جزئياً من المادة الأولى إلى الثانية. تعمل الموجات الكهرومغناطيسية الخفيفة على تحريك الإلكترونات الحرة للمادة والإلكترونات المرتبطة الموجودة على الأغلفة الخارجية للذرات (الإلكترونات الضوئية) في حركة تذبذبية، والتي تنبعث منها موجات ثانوية بتردد وارد موجه كهرومغناطيسية. تشكل الموجات الثانوية موجة منعكسة وموجة تخترق المادة.

في المواد مع كثافة عاليةتولد الإلكترونات الحرة (المعادن) موجات ثانوية موجة منعكسة قوية يمكن أن تصل شدتها إلى 95٪ من شدة الموجة الساقطة. نفس الجزء من الطاقة الضوئية التي تخترق المعدن يتعرض لامتصاص قوي فيه، وتتحول طاقة الموجة الضوئية إلى حرارة. ولذلك، فإن المعادن تعكس بقوة الضوء الساقط عليها وتكون معتمة عمليا.

في أشباه الموصلات تكون كثافة الإلكترونات الحرة أقل منها في المعادن، كما أنها تمتص الضوء المرئي بشكل أقل جودة، وفي منطقة الأشعة تحت الحمراء تكون شفافة بشكل عام. تمتص العوازل الضوء بشكل انتقائي وتكون شفافة فقط لأجزاء معينة من الطيف.

في الحالة العامةعندما يسقط الضوء على مادة ما، يحدث التدفق الضوئي الحادث Fيمكن تمثيل 0 كمجموع تدفقات الضوء:

أين ص- ينعكس، واو- يمتص، ف ر- تدفق الضوء الذي يمر عبر المادة.

وتوصف ظاهرة تفاعل الضوء مع المادة بكميات لا أبعاد لها تسمى معاملات الانعكاس والامتصاص والانتقال. لنفس المادة

ص + أ +ر = 1. (2)

للأجسام المبهمة ر= 0؛ لأجسام بيضاء تمامًا ص = 1؛ للأجسام السوداء المطلقة أ = 1.

ضخامة تسمى الكثافة الضوئية للمادة.

احتمال فأروصف الخواص الضوئية للمادة ويتم تحديدها بالطرق الضوئية.

تُستخدم طرق التحليل الضوئية على نطاق واسع في الطب البيطري وعلوم الحيوان وعلوم التربة وتكنولوجيا المواد. عند دراسة المواد المذابة في مذيب غير ممتص عمليا، تعتمد الطرق الضوئية على قياس امتصاص الضوء وعلى العلاقة بين الامتصاص وتركيز المحاليل. تسمى الأدوات المصممة لتحليل الامتصاص (الامتصاص - الامتصاص) للوسائط الشفافة مقاييس الطيف الضوئي ومقاييس السعرات الحرارية الضوئية. فيها، باستخدام الخلايا الكهروضوئية، تتم مقارنة ألوان المحاليل قيد الدراسة بالمعيار.

العلاقة بين امتصاص الضوء بالمحلول الملون وتركيز المادة تخضع لقانون بوغير-لامبرت-بير المدمج:

, (3)

أين أنا 0 - شدة تدفق الضوء الساقط على المحلول؛ أنا- شدة تدفق الضوء الذي يمر عبر المحلول؛ ج- تركيز المادة الملونة في المحلول؛ ل- سمك الطبقة الماصة في المحلول؛ ك- معامل الامتصاص ويعتمد على طبيعة المذاب والمذيب ودرجة الحرارة والطول الموجي للضوء.

لو معأعرب في مول / لتر، و ل- بالسنتيمتر إذن كيصبح معامل الامتصاص المولي ويشار إليه بـ e l، وبالتالي:

. (4)

وبأخذ لوغاريتمات (4) نحصل على:

الجانب الأيسر من التعبير (5) هو الكثافة البصرية للحل. ومع الأخذ في الاعتبار مفهوم الكثافة الضوئية، فإن قانون بوغيه-لامبرت-بير سوف يتخذ الشكل التالي:

أي أن الكثافة الضوئية للمحلول في ظل ظروف معينة تتناسب طرديًا مع تركيز المادة الملونة في المحلول وسمك الطبقة الماصة.

ومن الناحية العملية، لوحظت حالات انحراف عن قانون الامتصاص المشترك. يحدث هذا لأن بعض المركبات الملونة في المحلول تخضع للتغيرات بسبب عمليات التفكك والإذابة والتحلل المائي والبلمرة والتفاعل مع المكونات الأخرى للمحلول.

نوع الرسم البياني للتبعية د = و (ج)يظهر في الشكل. 1.

المركبات الملونة لها امتصاص انتقائي للضوء، أي. تختلف الكثافة البصرية للمحلول الملون باختلاف الأطوال الموجية للضوء الساقط. يتم قياس الكثافة الضوئية لتحديد تركيز المحلول في المنطقة ذات الامتصاص الأقصى، أي عند الطول الموجي

ضوء الحادث قريب من لالأعلى.

لتحديد تركيز المحلول ضوئيًا، قم أولاً بإنشاء رسم بياني للمعايرة د = و (ج). للقيام بذلك، قم بإعداد سلسلة من الحلول القياسية. ثم يتم قياس قيم كثافتها الضوئية ورسم رسم بياني للتبعية

د = و (ج). لبنائه يجب أن يكون لديك 5 - 8 نقاط.

بعد تحديد الكثافة الضوئية للمحلول قيد الدراسة تجريبيًا، أوجد قيمته على المحور الإحداثي لمخطط المعايرة د = و (ج)، ومن ثم يتم حساب قيمة التركيز المقابلة على المحور السيني مع X.

تم تصميم مسعر التركيز الكهروضوئي KFK-2 المستخدم في هذا العمل لقياس نسبة تدفقات الضوء في المقاطع الفردية للأطوال الموجية في نطاق 315 - 980 نانومتر، المنبعثة من مرشحات الضوء، ويسمح بتحديد النفاذية والكثافة الضوئية المحاليل السائلةوالمواد الصلبة، وكذلك تركيز المواد في المحاليل من خلال إنشاء الرسوم البيانية للمعايرة د = و (ج).

مبدأ القياس باستخدام مقياس السعرات الحرارية KFK-2 الخصائص البصريةالمواد هي أن تدفقات الضوء يتم إرسالها بالتناوب إلى الكاشف الضوئي (الخلية الكهروضوئية) - ممتلئة أنا 0 ومرت عبر الوسط قيد الدراسة أناويتم تحديد نسبة هذه التدفقات.

مظهريظهر مقياس السعرات الحرارية الضوئية KFK-2 في الشكل. 2. ويشمل

يشتمل على مصدر ضوء، وجزء بصري، ومجموعة من مرشحات الضوء، وكاشفات ضوئية، وجهاز تسجيل، يتم معايرة مقياسه لنفاذية الضوء وقراءات الكثافة البصرية. يوجد على اللوحة الأمامية لجهاز قياس السعرات الحرارية الضوئية KFK-2 ما يلي:

1 - ميكرومتر بمقياس رقمي في قيم المعامل الموالي

تطلق توالكثافة الضوئية د;

2 - المنور.

3 - مقبض لتبديل مرشحات الضوء.

4 - تبديل الترعة في شعاع الضوء؛

5 - مفتاح الكاشف الضوئي "الحساسية" ؛

6 - المقابض "الإعداد 100": "خشن" و"ناعم"؛

7 - مقصورة كوفيت.

أمر العمل

1. قم بتوصيل الجهاز بالشبكة. الاحماء لمدة 10 - 15 دقيقة.

2. مع فتح حجرة الكوفيت، اضبط إبرة مقياس الميكرومتر على "0"

على مقياس "T".

3. اضبط الحد الأدنى من الحساسية، وللقيام بذلك، أدر مفتاح "الحساسية".

حرك مقبض "الإعداد 100" "الخشن" إلى أقصى موضع اليسار.

4. ضع كفيت يحتوي على مذيب أو محلول تحكم في شعاع الضوء.

الروم الذي يتم القياس عليه.

5. أغلق غطاء حجرة الكوفيت.

6. استخدم مفتاحي "الحساسية" و"الإعداد 100" لضبط "خشن" و"ناعم"

قراءة 100 على مقياس السعرات الحرارية الضوئية. يمكن أن يكون مقبض "الحساسية" في أحد المواضع الثلاثة "1" أو "2" أو "3".

7. من خلال إدارة المقبض "4"، استبدل الكوفيت بالمذيب مع الكوفيت بمادة الاختبار

حل.

8. قم بأخذ قراءة على مقياس الميكرومتر المطابق للـ pro-

إطلاق محلول الاختبار كنسبة مئوية، على مقياس "T" أو على مقياس "D" - بوحدات الكثافة الضوئية.

9. قم بإجراء القياسات 3-5 مرات وتكون القيمة النهائية للقيمة المقاسة

القسمة كالوسط الحسابي للقيم التي تم الحصول عليها.

10. تحديد خطأ القياس المطلق للكمية المطلوبة.

المهمة رقم 1. دراسة اعتماد الكثافة الضوئية على الطول

موجات من الضوء الساقط

1.1. للحصول على حل قياسي، حدد الكثافة البصرية عند ترددات مختلفة للضوء الساقط.

1.2. أدخل البيانات في الجدول 1.

1.3. رسم اعتماد الكثافة الضوئية على الطول الموجي لسنويا-

إعطاء الضوء د = و (ل).

1.4. يُعرِّف لورقم الفلتر ل دالأعلى .

الجدول 1

المهمة رقم 2. التحقق من اعتماد الكثافة الضوئية على السُمك

طبقة ماصة

2.1. للحصول على حل قياسي، باستخدام مرشح مع ل دللكوفيت بأحجام مختلفة.

2.2. أدخل البيانات في الجدول 2.

الجدول 2

2.3. إنشاء رسم بياني للتبعية د = و (ل).

المهمة رقم 3. بناء رسم بياني للمعايرة وتحديد التركيزات

جهاز اتصال لاسلكي من حل غير معروف

3.1. لسلسلة من المحاليل القياسية معروفة التركيز باستخدام الضوء

للتصفية مع لالحد الأقصى (انظر المهمة رقم 1)، تحديد د.

3.2. أدخل بيانات القياس في الجدول 3.

الجدول 3

3.3. بناء الرسم البياني للمعايرة د = و (ج).

3.4. في الموعد المحدد د = و (ج)تحديد تركيز محلول غير معروف.

أسئلة التحكم

1. ظاهرة توهين الضوء عند مروره عبر مادة آلية الامتصاص

أمور ل أنواع مختلفةمواد.

2. المعلمات التي تميز الخواص الضوئية للمادة.

3. شرح جوهر طرق التحليل الضوئي.

4. صياغة قانون امتصاص بوغيه – لامبرت – بيرة المدمج.

5. ما هي أسباب الانحرافات المحتملة لخصائص الحلول مجتمعة

حصان الاستيلاء؟

6. معامل الامتصاص المولي وتعريفه والعوامل التي يعتمد عليها

7. كيفية اختيار الطول الموجي للإشعاع الممتص أثناء عملية السعرات الحرارية الضوئية

القياسات الريمترية؟

1. كيف يتم إنشاء الرسم البياني للمعايرة؟

2. شرح مبدأ التصميم والتشغيل لجهاز قياس السعرات الحرارية الضوئية KFK-2.

3. أين ولأي غرض يتم استخدام تحليل الامتصاص؟

الأدب

1. دورة تروفيموفا تي آي في الفيزياء. م: أعلى. المدرسة، 1994. الجزء 5، الفصل. 24، § 187.

2. Savelyev I. V. دورة الفيزياء العامة. م: ناوكا، 1977. المجلد 2، الجزء 3، الفصل. العشرين،

3. دورة Grabovsky R.I في الفيزياء. سانت بطرسبرغ: لان. 2002. الجزء ص، الفصل. السادس، § 50.

العمل المخبري رقم 4–03

الكثافة البصرية د، مقياس عتامة طبقة المادة لأشعة الضوء.

، أين

e هو معامل الامتصاص (الانقراض) لتدفق الضوء. يعتمد على طبيعة المادة والطول الموجي للضوء.

C هو تركيز المادة في المحلول بالمتر/لتر.

l هو سمك طبقة المحلول الممتصة للضوء.

تتناسب الكثافة الضوئية للمحلول بشكل مباشر مع تركيز المادة الممتصة للضوء في المحلول وسمك طبقة المحلول. بمعنى آخر، عند سمك معين لطبقة المحلول، كلما زاد تركيز المادة في المحلول، زادت الكثافة الضوئية. ويترتب على ذلك أنه من خلال تحديد الكثافة البصرية للحل، يمكن تحديد تركيز المادة في المحلول بشكل مباشر. مع التكنولوجيا الحديثة، يمكن قياس الكثافة الضوئية بدقة كبيرة. زيادة سماكة الطبقة ليمكن قياس تركيزات صغيرة جدًا من المواد.

مقياس الألوان الضوئي- جهاز بصري لقياس تركيز المواد في المحاليل. يعتمد عمل مقياس الألوان على خاصية المحاليل الملونة لامتصاص الضوء الذي يمر عبرها، وكلما زاد تركيز المادة الملونة فيها. على عكس مقياس الطيف الضوئي، يتم إجراء القياسات في شعاع ليس أحادي اللون، ولكن من الضوء الطيفي الضيق متعدد الألوان الذي يتكون من مرشح الضوء. إن استخدام مرشحات الضوء المختلفة ذات النطاقات الطيفية الضيقة للضوء المنقول يجعل من الممكن تحديد تركيزات المكونات المختلفة لنفس المحلول بشكل منفصل. على عكس مقاييس الطيف الضوئي، تعد مقاييس الألوان الضوئية بسيطة وغير مكلفة ودقيقة بدرجة كافية للعديد من التطبيقات.

تنقسم مقاييس الألوان إلى مقاييس الألوان المرئية والموضوعية (الكهروضوئية). في مقاييس الألوان البصرية، يضيء الضوء الذي يمر عبر المحلول الذي يتم قياسه جزءًا من مجال الرؤية، بينما يضيء جزء آخر بالضوء الذي يمر عبر محلول من نفس المادة، المعروف تركيزها. من خلال تغيير سمك طبقة أحد المحاليل التي تتم مقارنتها أو شدة التدفق الضوئي، يضمن المراقب عدم إمكانية تمييز درجات الألوان لجزئي مجال الرؤية بالعين، وبعد ذلك يتم تركيز تركيز الضوء. ويمكن تحديد الحل قيد الدراسة باستخدام العلاقات المعروفة بين l وI وc.

توفر مقاييس الألوان الكهروضوئية (مقاييس الألوان الضوئية) دقة قياس أكبر من تلك المرئية؛ يستخدمون الخلايا الضوئية (السيلينيوم والفراغ)، والمضاعفات الضوئية، والمقاومات الضوئية (المقاومات الضوئية) والثنائيات الضوئية كمستقبلات للإشعاع. يتم تحديد قوة التيار الضوئي للمستقبلات من خلال شدة الضوء الساقط عليها، وبالتالي بدرجة امتصاصه في المحلول (كلما زاد التركيز، زاد). بالإضافة إلى مقياس الألوان الكهروضوئي (مقياس الألوان الضوئي) مع قراءة التيار المباشر، تعد مقاييس الألوان التعويضية شائعة، حيث يتم تقليل الفرق بين الإشارات المقابلة للحلول القياسية والمقاسة إلى الصفر (تعويض) بواسطة معوض كهربائي أو بصري (على سبيل المثال، إسفين ضوئي)؛ في هذه الحالة، يتم أخذ العد من مقياس المعوض. يتيح لك التعويض تقليل تأثير ظروف القياس (درجة الحرارة وعدم استقرار خصائص عناصر مقياس الألوان) على دقتها. لا تعطي قراءات مقياس الألوان على الفور قيم تركيز مادة الاختبار في المحلول، وللذهاب إليها يتم استخدام الرسوم البيانية للمعايرة، التي يتم الحصول عليها عن طريق قياس المحاليل ذات التركيزات المعروفة.

القياسات باستخدام مقياس الألوان بسيطة وسريعة. دقتها في كثير من الحالات ليست أقل شأنا من دقة الآخرين، أكثر من ذلك أساليب معقدةتحليل كيميائي. تتراوح الحدود الدنيا للتركيزات المحددة، اعتمادًا على نوع المادة، من 10 −3 إلى 10 −8 مول/لتر.

21. دائرة FEK، والتي تعتمد على مقارنة بين تدفقين ضوئيين، حيث مصباح L، ومرايا Z، ومرشحات Sph-light، ومكثفات K، ومقصورة A مع محلول متحكم فيه، وخلايا ضوئية F1 وF2، ومضخم إلكتروني EI ، مؤشر IN-صفر، إسفين بصري موافق.

مبدأ التشغيل: ينقسم التدفق الضوئي من المصباح L إلى تيارين وينعكس من المرايا Z ويضرب الخلايا الكهروضوئية المتطابقة F1 و F2. يمر التدفق الذي يمر عبر قناة الضوء العلوية عبر مرشح الضوء Sf والمكثف K والإسفين البصري OK، ويمر تدفق الضوء الذي يمر عبر قناة الضوء السفلية عبر مرشح الضوء السفلي Sf للمكثفات K والكوفيت A، المملوء بالمادة الخاضعة للرقابة. يتم توصيل أجهزة الكشف الضوئية F1 وF2 بشكل متتالي ويتم توصيل مكبر الصوت الإلكتروني الخاص بالاتحاد الأوروبي بدائرتها. من خلال تغيير موضع OK (الإسفين البصري)، نحقق المساواة في تدفقات الضوء في كلتا القناتين. بعد ذلك ستنتج كلتا القناتين نفس التيارات الضوئية وستصبح إشارة عدم التوازن عند مدخل مكبر الصوت الإلكتروني صفرًا، وسيظهر مؤشر IN صفرًا. بعد ضبط قراءة الجهاز على الصفر، أي. بعد موازنة الدائرة، نضع الكوفيت A بمحلول متحكم فيه في الجهاز، ونتيجة للتغيير في مساواة تدفقات الضوء، سينشأ خلل في التوازن، والذي سيتم تغذيته بمضخم إلكتروني. من أجل معادلة تدفقات الضوء، من الضروري تحريك OK حتى يتوقف إرسال إشارة عدم التوازن إلى مكبر الصوت، أي. سوف تتساوى التيارات الضوئية ولن يُظهر السهم المتصل بالإسفين البصري القيمة الفعالة لتركيز المحلول الموجود في الكوفيت A.

22. تم تصميم أجهزة قياس الانكسار لتحديد معامل الانكسار لمادة الاختبار، والتي على أساسها يتم التوصل إلى استنتاج حول تكوينها، ووجود الشوائب، ويتم تحديد النسبة المئوية لتكوين المواد الصلبة الذائبة. تم تصميم هذه الأجهزة لدراسة السوائل غير العدوانية ذات اللزوجة المتوسطة والمواد الصلبة.

تستخدم أجهزة قياس الانكسار في الصناعة الكيميائية,

صناعة المواد الغذائية، لتحليل المنتجات والمواد الخام، في الطب والطب البيطري؛ في صناعة الأدوية لدراسة المحاليل المائية الأدوية، وكذلك في العديد من الصناعات الأخرى.

عادة، يتم تحديد مؤشرات انكسار الأجسام السائلة والصلبة عن طريق قياس الانكسار بدقة 0.0001 على مقاييس الانكسار التي زوايا الحدانعكاس داخلي كامل. الأكثر شيوعًا هي أجهزة قياس انكسار آبي المزودة بكتل منشورية ومعوضات التشتت، والتي تتيح تحديد الخطوط الطيفية في الضوء "الأبيض" باستخدام مقياس أو مؤشر رقمي. يتم تحقيق أقصى دقة للقياسات المطلقة (10 -10) باستخدام مقاييس الزوايا باستخدام طرق انحراف الأشعة بمنشور مصنوع من المادة قيد الدراسة. تعد طرق التداخل أكثر ملاءمة لقياس معاملات انكسار الغازات. تُستخدم مقاييس التداخل أيضًا لتحديد الاختلافات الدقيقة (حتى 10 -7) في معاملات انكسار المحاليل. لنفس الغرض، يتم استخدام مقاييس الانكسار التفاضلية، بناءً على انحراف الأشعة بواسطة نظام مكون من منشورين أو ثلاثة منشورات مجوفة.

تُستخدم أجهزة قياس الانكسار الأوتوماتيكية للتسجيل المستمر لمؤشرات الانكسار في التدفقات السائلة في الإنتاج لأغراض المراقبة العمليات التكنولوجيةو تحكم تلقائىلهم، وكذلك في مختبرات مراقبة التصحيح وككاشفات عالمية للكروماتوجرافيا السائلة.

يعد قياس الانكسار، الذي يتم إجراؤه باستخدام مقاييس الانكسار، أحد أكثر الطرق شيوعًا لتحديد المركبات الكيميائية، والتحليل الكمي والهيكلي، وتحديد المعلمات الفيزيائية والكيميائية للمواد.

23.

1- المنور. 2- ميزاء. 3 - كوفيت. 4, 5 -- الموشورات؛ 6 - الخلايا الضوئية.

يتكون الكوفيت من غرفتين منفصلتين قسم شفاف، أحدهما مملوء بمحلول قياسي لتركيز معين، والآخر بمحلول متحكم فيه. إذا كانت معاملات الانكسار للمرجع متساوية ص والسيطرة عليها ف" في السوائل، يمر شعاع من الضوء عبر الغرفتين دون انحراف، وعندما يتغير تركيز الوسط المتحكم فيه، يظهر المؤشر ف" التغييرات وينحرف شعاع الضوء. كلما كان الفرق بين تركيزات السوائل المرجعية والسوائل الخاضعة للرقابة أكثر وضوحا، كلما زاد انحراف الشعاع. يوفر تصميم الكوفيت التفاضلي تعويضًا لدرجة الحرارة، أي المساواة في درجات الحرارة التي يوجد فيها كلا السائلين.

24. عند القياس باستخدام مطياف الكتلة، يتم استخدام المعلمة الفيزيائية الرئيسية للمادة - كتلة الجزيء أو الذرة. وهذا يجعل من الممكن تحديد تكوين المادة بغض النظر عن المادة الكيميائية و الخصائص الفيزيائية. ميزة طريقة قياس الطيف الكتلي سريعة و تحليل كاملمخاليط الغاز متعددة المكونات. في هذه الحالة، هناك حاجة إلى كميات ضئيلة من المادة للتحليل. "

في ظل ظروف الفراغ العالية، تتأين جزيئات أو ذرات الحليلة لتكوين أيونات موجبة الشحنة. تسارع الأيونات في الحقل الكهربائي، مفصولة بكتلتها في مجال مغناطيسي. مجموع الشحنات الكهربائيةتشكل الأيونات المتحركة تيارًا أيونيًا. إن قياس قوة التيار الأيوني الناتج عن جزيئات ذات كتلة معينة يجعل من الممكن الحكم على تركيز الجزيئات في التركيب العام للمادة التي تم تحليلها. في مطياف الكتلة من أي تصميم، الجزء الرئيسي هو محلل الكتلة، حيث يحدث التأين، وتشكيل شعاع الأيونات، وتقسيمها إلى حزم أيونية مكونة تتوافق مع كتل محددة بدقة، وجمع منفصل متسلسل لحزم الأيونات على المجمع . وفقًا لهذه العمليات، يتكون محلل الكتلة لأي مطياف كتلة من مصدر أيوني، والمحلل نفسه، وجهاز استقبال أيوني.

وفقًا للتكوين والتوجه المتبادل للمجالات المغناطيسية والكهربائية، وكذلك طبيعة التغير في هذه المجالات بمرور الوقت، يتم تقسيم مقاييس الطيف الكتلي إلى أربع مجموعات: مع فصل الأيونات في مجال مغناطيسي موحد؛ مع فصل الأيونات في مجال مغناطيسي غير منتظم؛ مع فصل الأيونات حسب وقت الرحلة؛ موجة تردد الراديو.

يتم استخدام مقاييس الطيف الكتلي مع فصل الأيونات في مجال مغناطيسي موحد ووقت الرحلة في الغالب.

25. مقياس الانكسار التلقائي.