Лабораторна робота № 11. Визначення коефіцієнта поглинання світла та концентрації домішок у розчинах

 

Мета роботи – вивчити поглинання світла забрудненими середовищами; визначити коефіцієнт поглинання та концентрації домішок у розчинах.

 

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: явища поглинання світла, закон Бугера, особливості поглинання світла розчинами [1, т.1, §6.5; 2, §§ 187,194 – 196, 225,259,261; 4, т.2, §§ 141, 145, т.3, §§ 87-90].

 

Електромагнітна (світлова) хвиля несе з собою потік енергії, що при взаємодії з частинками речовини поглинається, переходячи в енергію коливання електричних зарядів в атомах та молекулах.

Поглинанням світла називається явище втрати енергії світлових хвиль, які проходять через речовини, внаслідок перетворення енергії хвилі в різні форми внутрішньої енергії речовини, або в енергію вторинного випромінювання інших напрямків та спектрального складу.

Внаслідок поглинання світла інтенсивність світла зменшується. Нехай на пластинку товщиною х падає світло інтенсивністю І _о (рис. 11.1). Виділимо в пластинці ділянку товщиною dx. Тоді величина потоку, який поглинається цією ділянкою буде dІ. Величина dІ буде прямо пропорційна потоку І, що падає на ділянку товщиною dх:

,

де k – коефіцієнт ослаблення світлового потоку, або коефіцієнт поглинання.

Знак „ – ” вказує, що інтенсивність світла зменшується (поглинається) при проходженні світла.

Розділивши змінні та інтегруючи, маємо:

,

або

.

Ця залежність носить назву закону Бугера.

Коефіцієнт поглинання світла k залежить від довжини хвилі l (або частоти n) і для різних речовин різний.

Нехай ми маємо монохроматичний потік світла і його інтенсивність після проходження через дану товщину d ₁ розчину буде:

. (11.1)

Якщо товщина розчину буде d ₂, то:

. (11.2)

Розділивши (11.1) на (11.2), отримаємо:

. (11.3)

Логарифмуючи вираз (11.3), отримаємо:

.

Тоді:

. (11.4)

Коефіцієнт поглинання можна визначити і простіше, якщо відоме значення І ₀. Для цього із формули (11.1) знайдемо відношення І ₁/ І ₀:

.

Логарифмуючи цей вираз знайдемо І ₀/ І ₁:

.

Звідси

. (11.5)

Коефіцієнт поглинання розчинів буде залежати від концентрації домішок, які здійснюють поглинання світла:

, (11.6)

де С – коефіцієнт пропорційності; n – концентрація домішок в розчині.

Якщо взяти розчин з відомою концентрацією домішок n ₀, то можна визначити концентрацію невідомих домішок в розчинах. Згідно з рівнянням (11.6) для відомої концентрації n ₀ та невідомої концентрації n_x відповідно маємо:

та .

Тоді:

. (11.7)

 

Опис приладу

Прилад для вимірювання коефіцієнтів поглинання та концентрації домішок в розчинах складається з таких частин (рис. 11.2):

1 –газовий лазер; 2 –джерело живлення лазера; 3 –дзеркало; 4 –кювета з розчином; 5 –приймальне вікно; 6 –мікроамперметр; 7 –регулюючий поляроїд.

Світло від лазера (1), після відбиття від дзеркала (3), попадає через приймальне вікно (5) на фотоелемент. Величину світлового потоку, або силу світла І реєструють за допомогою мікроамперметра (6). Інтенсивність початкового світлового потоку (І ₀) можна відрегулювати з допомогою поляроїда (7), використовуючи той факт, що промінь лазера є поляризованим світлом.

 

 

Хід роботи

Перед початком роботи ознайомитись з правилами роботи з квантовим генератором (лазером).

1. Включити лазер в електромережу. Почекати 3-4 хв до моменту включення лазера.

2. Для того, щоб відрегулювати інтенсивність початкового світлового потоку І ₀ необхідно поставити пусту кювету і напрямити промінь так, щоб він падав нормально на вікно приймача (рис. 11.2), а покази приладу відповідали 100 поділкам.

3. Виміряти товщину розчину d і поставити кювету на приймальне віконце фотоелемента так, щоб промінь проходив вздовж всього стовпчика розчину. Зробити замір показів приладу (І).

4. Повторити дослід не менше трьох разів для різної товщини (d) розчину.

5. За формулою (11.5) розрахувати значення коефіцієнта k ₀ для відомої концентрації розчину n ₀ та визначити середнє значення < k ₀ >. Зробити перевірку значення k ₀ за формулою (11.4).

6. Зробити замір інтенсивності І_х для розчинів невідомої концентрації даної товщини d. За формулою (11.5) розрахувати коефіцієнт поглинання k_x.

7. За формулою (11.7) зробити розрахунок невідомої концентрації n_x розчину. Дослід повторити не менше трьох разів. Дані занести до таблиці 11.1

 

 

Таблиця 11.1

І o, відн.од.	n o, %	d, м	І, відн.од.	k o, 1/м	< k o>, 1/м	dх, м	Іх, відн.од.	k х, 1/м	n х, %

Контрольні запитання

1. Що називається явищем поглинання світла?

2. В чому полягає закон Бугера?

3. Від чого залежить коефіцієнт поглинання світла?

4. Яким чином втрачається енергія світлових хвиль при проходженні через середовище?

5. Як визначити концентрацію домішок в розчині за коефіцієнтом поглинання?