Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

Закон Бугера має такий вигляд:

(1) де α – коефіцієнт поглинання. Цей закон показує, що інтенсивність світла зменшується в геометричній прогресії, коли товщина шару світлопоглинаючого розчину зростає в арифметичній прогресії. Фізичний зміст цього закону полягає в тому, що показник поглинання не залежить від інтенсивності світла, а отже і від товщини поглинаючого шару. Експериментально встановлено, С. В. Вавілов встановив, що закон Бугера виконується в дуже широких межах зміни інтенсивності світла. Однак слід взяти до уваги, що при поглинанні світла молекула переходить у новий, збуджений стан, запасаючи поглинуту енергію. Поки вона перебуває в такому стані, її здатність поглинати світло змінена. Той факт, що в дослідах С. І. Вавілова закон Бугера виконувався при великих інтенсивностях, доводить, що число таких збуджень молекул у кожний момент незначне, тобто вони дуже короткий час перебувають у збудженому стані. Справді, для тих речовин з якими були виконані зазначені досліди, цей час не перевищує 10-8 с. До цього типу належить величезна більшість речовин, для яких, отже, справедливий закон Бугера. Експерименти показують, що в речовинах, для яких час збудженого стану значно більший, при досить великій інтенсивності світла коефіцієнт поглинання зменшується, бо значна частина молекул знаходиться в збудженому стані. Тобто, в таких речовинах спостерігаються відхилення від закону Бугера.

Досліди показують, що в багатьох випадках, коли має місце поглинання молекулами газів або молекулами речовини, розчиненої практично в непоглинаючому розчиннику, коефіцієнт поглинання буде пропорційний числу поглинаючих молекул на одиницю довжини шляху світлової хвилі або, що те саме, на одиницю об’єму, тобто пропорційний концентрації c. Інакше кажучи, коефіцієнт поглинання α виражається співвідношенням:

де А – коефіцієнт, що не залежить від концентрації і характерний для молекули поглинаючої речовини. Це твердження називається законом Бера.

Фізичний зміст цього закону полягає в тому, що поглинаюча здатність молекул не залежить від впливу навколишніх молекул. Однак треба відмітити, що спостерігаються численні відхилення від цього закону, особливо при значному збільшенні концентрації, тобто значному зменшенні взаємної відстані між молекулами поглинаючої речовини. Так само часто можна виявити, що для розчинених речовин коефіцієнт А залежить від природи розчинника, що також вказує на вплив навколишніх молекул на поглинальну здатність розглядуваної молекули.

Практично часто користуються законом Бугера-Ламберта-Бера:

  

 

Таким чином, закон Бугера-Ламберта-Бера дозволяє проводити кількісні дослідження, наприклад визначення концентрації речовин. Оптична густина розчину лінійно залежить від концентрації речовини тільки у певному діапазоні концентрацій. Для сильно концентрованих розчинів внаслідок міжмолекулярних взаємодій і взаємодій хромофорів лінійна залежність порушується. Тобто концентраційні вимірювання можна проводити на різних довжинах хвиль світла у спектрах поглинання. Однак точність і чутливість методу буде різною. Найбільш висока точність та чутливість досягається при вимірюваннях на довжинах хвиль, близьких до максимуму у спектрах поглинання (рис. 1).

Внаслідок змін мікрооточення хромофору (наприклад, полярності) відбувається зміна енергетичних рівнів електронів у основному і збудженому стані. Це призводить до змін у спектрах поглинання. Якщо реєструвати спектр поглинання речовини в експериментальних умовах відносно поглинання в еталонних умовах, можна отримати диференціальний спектр. Якщо зсув спектру відбувається у бік довших довжин хвиль – це “червоний” зсув, якщо у бік менших довжин хвиль – це “блакитний” або синій зсув. Згідно Правила Кундта, смуга поглинання зсувається у довгохвильову ділянку спектру зі зростанням показника заломлення середовища. Виникнення диференційного спектру (3) внаслідок червоного зсуву спектру поглинання (2) відносно спектра в еталонних умовах (1) представлено на рис. 2.

 

 

Для визначення невідомої концентрації розчину Сi необхідно визначити його оптичну густину та за допомогою градуювального графіку визначити tgα.

 

 

Концентрацію Сi досліджуваного розчину обчислюємо за формулою (5) :

 

Порядок виконання роботи

 

1. За допомогою регулятора 25 встановити на табло 20 довжину хвилі рівну λ=.

2. Встановити перемикач 49 кюветного відділення в позицію «ЗАКР».

3. Натиснути клавішу «Ш (0) «, при цьому на фотометричному табло висвітиться значення сигналу у вольтах, яке пропорційне значенню темнового струму фотоелемента.

4. Встановити за допомогою потенціометра 50 НУЛЬ на фотометричному табло й числове значення коефіцієнта «Ш (0) « в діапазоні від 0, 05 до 0, 1.

5. Встановити за допомогою перемикача 40 на шляху світлового потоку кювету без розчину.

6. Встановити перемикач 49 в позицію «ОТКР».

7. Натискаючи клавішу «К1», перемикачем «ЩЕЛЬ» й встановити на фотометричному табло покази в діапазоні від 0, 5 до 5, 0.

8. Натиснути клавішу «D (5) «, при цьому на фотометричному табло повинно висвітись число 0, 000 ± 0, 001, а зліва – індекс «5». Якщо число має інше значення, необхідно ще раз ввести значення сигналу порівняння, натиснувши клавішу «К1».

9. Встановити на шляху потоку випромінювання кювету з досліджуваним розчином та визначити оптичну густину Di.