Для определения готовят эталонный раствор определяемого вещества известной концентрации, которая приближается к концентрации исследуемого раствора. Определяют оптическую плотность этого раствора при определенной длине волны . Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора при той же длине волны и при той же толщине слоя. Для эталонного раствора согласно уравнению (17) имеем:

где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - толщина слоя, см.

Оптическая плотность исследуемого раствора выражается такой же формулой:

где - концентрация исследуемого раствора, .

Количество определяемого вещества (в мг) с учетом разбавления раствора находим по формуле:

где - общий объем исследуемого раствора, ; - объем окрашенного исследуемого раствора, - объем аликвотной части исследуемого растаора, взятой для приготовления окрашенного раствора, .

Определение к онцентраци и вещества в растворе по значению молярного коэффициента поглощения

Определив значение оптической плотности -раствора при длине волны к и зная значение молярного коэффициента поглощения . определяемого вещества для лучей длины волны X, находим по формуле (17) значение концентрации исследуемого вещества :

Количество определяемого вещества (в г) находим по формуле:

где - молекулярный (атомный) вес определяемого вещества (иона).

Значение молярного коэффициента поглощения . устанавливают следующим образом. Готовят эталонный раствор исследуемого вещества определенной концентрации и измеряют значение оптической плотности этого раствора при длине волны к и значение . вычисляют по формуле:

Если вещество трудно получить в чистом виде, то можно пользоваться табличным значением .

Определение концентрации вещества с помощью калибровочного графика

Функциональная зависимость между оптической плотностью раствора и концентрацией поглощающего вещества может быть установлена графически. Для этого предварительно готовят серию растворов определяемого вещества различной концентрации (эталонные растворы). Измеряют значения оптической плотности этих растворов для лучей с длиной волны X и по полученным данным строят кривую зависимости оптической плотности раствора от концентрации (калибровочный график). На ось ординат наносят значения оптической плотности эталонных растворов , а на ось абсцисс - соответствующие значения концентраций этих растворов (). Для получения более точных результатов рассчитывают, пользуясь методом наименьших квадратов, уравнение для калибровочного графика.

Определив значение оптической плотности исследуемого раствора при той же толщине слоя, можно найти концентрацию определяемого вещества по полученному калибровочному графику. Если раствор не подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера, то прямолинейная зависимость нарушается на некотором участке кривой или на всей кривой. В этом случае необходимо увеличить число эталонных растворов. Концентрацию эталонных растворов обычно выражают в . Количество определяемого вещества в миллиграммах определяют по формуле (23).

Определение концентрации вещества методом «уравнивания» или методом изменения толщины поглощающего слоя

Оптическую плотность исследуемого раствора определяют по формуле:

где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - концентрация определяемого вещества, ; - толщина слоя, см.

На использовании этого равенства основано устройство колориметра погружения (колориметр Дюбоска), в котором тождественность цвета достигается изменением толщины слоя растворов. Оптическая схема колориметра погружения дана на рис. 96. Один световой поток от зеркала 1 проходит через слой исследуемого раствора в кювете 2, цилиндр 4, призму 6, линзы 8 и 9 и попадает в окуляр, освещая правую половину оптического поля. Другой световой поток проходит через слой стандартного раствора в кювете 3, цилиндр 5, призму 7, линзы 8 и 9, попадает в окуляр, освещая левую половину оптического поля. Кюветы 2 и 3 установлены на держателях, которые при помощи шестеренок и реек передвигаются вертикально. Стеклянные цилиндры 4 и 5 с отшлифованными концами укреплены неподвижно. Перемещая кюветы 2 и 3 по вертикали, меняют высоту столбов раствора и добиваются исчезновения границ раздела в окуляре оптического поля. Высоты столбов эталонного раствора и исследуемого раствора отсчитывают по миллиметровой шкале.

Тела, пропускающие и поглощающие свет (кроме матовых и мутных сред), характеризуются оптической прозрачностью θ, непрозрачностью О и оптической плотностью D.

Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.

В фотографии оптическая плотность наиболее распространена для выражения спектральных свойств светофильтров и меры почернения (потемнения) негативов и позитивов. Величина плотности зависит от таких одновременно действующих факторов: структуры падающего светового потока (сходящихся, расходящихся, параллельных лучей или рассеянного света) структуры прошедшего или отраженного потока (интегрального, регулярного, диффузного).

Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t).

В определении оптической плотности иногда десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.

Понятие Оптическая плотность введено Р. Бунзеном; оно используется для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях.

Особенно широко оптическая плотность используются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов Оптическая плотность в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения

Различается плотность D для белого света, монохроматическая D λ для отдельных длин волн и зональная D зон, выражающая ослабление светового потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (D c 3 , D 3 3 , D K 3).

Плотность прозрачных сред (светофильтров, негативов) определяется в проходящем свете десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания τ:

D τ = lg(1/τ) = -lgτ

Плотность поверхностей выражается величиной отраженного света и определяется десятичным логарифмом коэффициента отражения ρ:

D ρ = lg (1/ ρ) = - lg ρ.

Величина плотности D = l ослабляет свет в 10 раз.

Интервал оптических плотностей прозрачных сред практически неограничен: от полного пропускания света (D = 0) до его полного поглощения (D = 6 и более, ослабление в миллионы раз). Интервал плотностей поверхностей предметов ограничен содержанием в их отраженном свете поверхностно отраженной составляющей порядка 4-1 % (черная типографская краска, черное сукно). Практически предельные плотности D = 2,1...2,4 имеют черный бархат и черный мех, ограничиваемые поверхностно отраженной составляющей порядка 0,6-0,3 %.

Оптическая плотность связана простыми зависимостями с концентрацией светопоглощающего вещества и со зрительным восприятием наблюдаемого объекта – его светлотой, чем и объясняется широкое использование этого параметра.

Заменив оптические коэффициенты на потоки излучения – упавший на среду (Ф 0) и вышедший из нее (Фτ или Фρ), получим выражения

Чем больше света поглощается средой, тем она темнее и тем выше ее оптическая плотность как в проходящем так и в отраженном свете.

Оптическая плотность может быть определена по световым коэффициентам. В этом случае ее называют визуальной.

Визуальная плотность в проходящем свете равна логарифму величины, обратной световому коэффициенту пропускания:

Визуальная плотность в отраженном свете определяется по формуле

Для нейтрально-серых оптических сред. т.е. для серых светофильтров, серых шкал, черно-белых изображений, оптические и световые коэффициенты совпадают, поэтому совпадают и оптические плотности:

Если известно, о какой плотности идет речь, индекс при D опускают. Описанные выше оптические плотности – интегральные , они отражают изменение мощностных характеристик белого (смешанного) излучения. Если оптическая плотность измеряется для монохроматического излучения, то ее называют монохроматической (спектральной). Она определяется с использованием монохроматических потоков излучения Ф λ по формуле

В приведенных выше формулах лучистые потоки Ф, могут быть заменены на световые потоки F λ , что следует из выражения

Поэтому можно записать:

Для цветных сред интегральные оптическая и визуальная плотности не совпадают, так как они рассчитываются по разным формулам:

Для фотоматериалов с прозрачной подложкой оптическая плотность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D 0 .

Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например, светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Графически характеристика поглощения выражается кривой зависимости оптической плотности D от длины волны белого света λ, нм.

Оптическая прозрачность Θ – характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления: Θ = Ф τ /Ф.

Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием, и характеризует одновременно поглощение и рассеяние. Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.

Оптическую прозрачность определяет кривая спектрального пропускания для длин волн оптического диапазона излучений. Прозрачность объективов для белого света увеличивается при нанесении на линзы просветляющих покрытий. Прозрачность атмосферы зависит от наличия в ней мелких частиц пыли, газа, водяных паров, находящихся во взвешенном состоянии и влияющих на характер освещения и рисунок изображения при съемке. Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.

Оптическая непрозрачность О – отношение падающего светового потока к прошедшему через слой – величина, обратная прозрачности: О = Ф/Ф τ = l/Θ. Непрозрачность может изменяться от единицы (полное пропускание) до бесконечности и показывает, во сколько раз уменьшается свет, проходя через слой. Непрозрачность характеризует плотность среды. Переход к оптической плотности выражается десятичным логарифмом непрозрачности:
D = lg О =lg (l/τ) = - lg τ .

Спектральные отличия тел. По характеру излучения и поглощения светового потока все тела отличаются от ЧТ и условно делятся на селективные и серые, отличающиеся избирательным и неизбирательным поглощением, отражением и пропусканием. К селективным относятся хроматические тела, обладающие какой-либо цветностью, к серым – ахроматические. Термин «серый» характеризуется двумя признаками: характером излучения и поглощения относительно ЧТ и цветом поверхности, наблюдаемым в обиходе. Второй признак широко используется при визуальном определении цвета ахроматических тел – белых, серых и черных, отражающих спектр соответственно белого света от единицы до нуля.

Серое тело обладает степенью поглощения света, близкой к поглощению ЧТ. Коэффициент поглощения ЧТ равен 1, а серого тела – близок к 1 и также не зависит от длины волны излучения или поглощения. Распределение энергии, излучаемой по спектру, у серых тел для каждой данной температуры подобно распределению энергии ЧТ при той же температуре, но интенсивность излучения меньше в несколько раз (рис. 23).

Для несерых тел поглощение избирательно и зависит от длины волны, поэтому они считаются серыми лишь в определенных, узких интервалах длин волн, для которых коэффициент поглощения приблизительно постоянен. В видимой области спектра свойствами серого тела обладают уголь (α = 0,8)< сажа (α = 0,95) и платиновая чернь (α = 0,99).

Селективные (избирательные) тела обладают цветом и характеризуются кривыми зависимости коэффициентов отражения, пропускания или поглощения от длины волны падающего излучения. При освещении белым светом цвет поверхности таких тел определяется по максимальным величинам кривой спектрального отражения илипо минимальной величине кривой спектрального поглощения. Цвет прозрачных тел (светофильтров) определяется в основном кривой поглощения (плотностью D) или кривой пропускания τ. Кривые спектрального поглощения и пропускания характеризуют вещество селективных тел только для белого света. При их освещении цветным светом кривые спектрального отражения или пропускания меняются.

Белый, серый и черный цвет тел – это визуальное ощущение ахроматичности, применимое к отражению поверхностей и пропусканию прозрачных сред. Ахроматичность графически выражается горизонтальной прямой или едва заметной волнистой линией, параллельной оси абсцисс и расположенной на различном уровне оси ординат в световом диапазоне длин волн (рис. 24, а, б, в). Ощущение белого цвета создают поверхности с наибольшим равномерным коэффициентом

отражения по спектру (ρ = 0,9...0,7 – белые бумаги). Поверхности серого цвета имеют равномерный коэффициент отражения р = 0,5...0,05. Черные поверхности имеют ρ = 0,05...0,005 (черное сукно, бархат, мех). Разграничение это приблизительно и условно. Для прозрачных сред (например нейтральных серых светофильтров) характеристика ахроматичности также выражается горизонтальной линией поглощения (плотностью D, показывающей в какой степени ослабляется белый свет).

Светлота поверхности – это относительная степень зрительного ощущения, возникающего в результате действия цвета отраженного излучения на три цветоощущающих центра зрения. Графически светлота выражается суммарной плотностью этого излучения в диапазоне белого света. В общей светотехнике светлота неправильно используется для зрительной количественной оценки различия двух смежных поверхностей, различающихся по яркости.

Светлота белой поверхности, освещенной белым светом. В качестве 100 %-ной принимается светлота идеально белой поверхности (покрытой сернокислым барием или магнием) с ρ = 0,99. При этом характеризующая ее площадь на графике (рис. 24, а) ограничивается линией светлоты на уровне ρ = 1 или 100 %. На практике белыми считаются поверхности, светлота которых соответствует 80-90 % (ρ = 0,8...0,9). Линия светлоты серых поверхностей приближается к оси абсцисс (рис. 24, е), поскольку они отражают часть белого света. Линия светлоты черного бархата, практически не отражающего света, совмещается с осью абсцисс.

Светлота цветных поверхностей, освещенных белым светом, определяется на графике площадью, ограниченной кривой спектрального коэффициента отражения. Поскольку бесформенная площадь не может отразить количественную степень светлоты, она переводится в площадь прямоугольника с основанием на оси абсцисс (рис. 24, г, д, е). Высота прямоугольника определяет светлоту в процентах .

Светлота цветных поверхностей, освещенных цветным светом , выражается на графике площадью, ограниченной результирующей кривой, полученной в результате перемножения спектральной характеристики освещения на спектральную характеристику отражения, поверхности. Если цвет освещения не совпадает с цветом поверхности, то отраженный свет изменяет свой цветовой тон, насыщенность и светлоту.

Обеспечение достаточной оптической плотности (заливки) знаков и изображений на странице является важным фактором в субъективной оценке качества печати. Нарушения в электрофотографическом процессе могут вызвать нежелательные отклонения темноты (заливки) изображения. Эти отклонения могут находиться в допустимых пределах или выходить из них. Величина этих допустимых отклонений устанавливается в технических условиях на расходные материалы к конкретному аппарату и может существенно отличаться для разных аппаратов. Объективная оценка плотности заливки характеризует неоднородность процесса и определяется как предел и стандартное отклонение коэффициента отражения печатного знака поперек страницы.

Термин оптическая плотность используется для характеристики меры пропускания света - для прозрачных объектов и отражения - для непрозрачных. Количественно определяется, как десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания (отражения). В электрографии этот термин используется для оценки качества элементов изображения на копиях, полученных при определенных условиях проявления (использовании определенного типа тонера, оценки величины контраста скрытого электростатического изображения, качества копий при применении того или иного способа проявления и т. д.). В полиграфии эта характеристика используется для оценки издательских оригиналов, промежуточных изображений и оттисков.

Оптическая плотность обозначается OD(Optical Density) или просто D. Минимальное значение оптической плотности D=0 соответствует белому цвету. Чем больше света поглощается средой, тем она темнее, т.е., например, черный цвет имеет большую оптическую плотность, чем серый.

Коэффициент отражения связан с оптической плотностью и плотностью контраста следующим образом:

D = lg (1/R pr) и D c =R pr /R pt

где D - оптическая плотность изображения;

R pt - коэффициент отражения в точке измерения;

D c - плотность контраста;

R pr - коэффициент отражения бумаги.

Значения оптической плотности изображения на копиях для черного в электрографии для различных аппаратов (как отмечалось выше) существенно различны. Как правило по спецификациям производителей тонера для лазерных принтеров эти значения (минимально допустимые при нормальном состоянии аппаратуры) лежат в диапазоне от 1,3D до 1,45D. Для качественных тонеров оптическая плотность принимает значения в диапазоне от 1,45D до 1,5D и не превышают 1,6D. В технических условиях принято устанавливать ограничения по нижнему допустимому пределу со стандартным отклонением по оптической плотности 0,01.

Величину оптической плотности измеряют специальным прибором - денситометром, принцип работы которого основан на измерении потока, отраженного от отпечатка и пересчета этого показателя в единицы измерения оптической плотности.

В электрографии оптическую плотность изображений используют для характеристики проявителя (тонера) с целью определения требуемых значений оптической плотности линий установленной ширины при определенных условиях проявления или характеристики электрофотографического изображения на копиях в режиме номинального функционирования аппаратуры

Разрешение

Разрешение (Resolution) или разрешающая способность сканера - параметр, характеризующий максимальную точность или степень детальности представления оригинала в цифровом виде. Разрешение измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch, ppi). Нередко разрешение указывают в точках на дюйм (dots per inch, dpi), но эта единица измерения является традиционной для устройств вывода (принтеров). Говоря о разрешении, мы будем использовать ppi. Различают аппаратное (оптическое) и интерполяционное разрешение сканера.

Аппаратное (оптическое) разрешение

Аппаратное (оптическое) разрешение (Hardware/optical Resolution) непосредственно связано с плотностью размещения светочувствительных элементов в матрице сканера. Это - основной параметр сканера (точнее, его оптико-электронной системы). Обычно указывается разрешение по горизонтали и вертикали, например, 300x600 ppi. Следует ориентироваться на меньшую величину, т. е. на горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение, которое обычно вдвое больше горизонтального, получается в конечном счете интерполяцией (обработкой результатов непосредственного сканирования) и напрямую не связано с плотностью чувствительных элементов (это так называемое разрешение двойного шага ). Чтобы увеличить разрешение сканера, нужно уменьшить размер светочувствительного элемента. Но с уменьшением размера теряется чувствительность элемента к свету и, как следствие, ухудшается соотношение сигнал/шум. Таким образом, повышение разрешения - нетривиальная техническая задача.

Интерполяционное разрешение

Интерполяционное разрешение (Interpolated Resolution) - разрешение изображения, полученного в результате обработки (интерполяции) отсканированного оригинала. Этот искусственный прием повышения разрешения обычно не приводит к увеличению качества изображения. Представьте себе, что реально отсканированные пикселы изображения раздвинуты, а в образовавшиеся промежутки вставлены «вычисленные» пикселы, похожие в каком-то смысле на своих соседей. Результат такой интерполяции зависит от ее алгоритма, но не от сканера. Однако эту операцию можно выполнить средствами графического редактора, например, Photoshop, причем даже лучше, чем собственным программным обеспечением сканера. Интерполяционное разрешение, как правило, в несколько раз больше аппаратного, но практически это ничего не означает, хотя может ввести в заблуждение покупателя. Значимым параметром является именно аппаратное (оптическое) разрешение.

В техническом паспорте сканера иногда указывается просто разрешение. В этом случае имеется в виду аппаратное (оптическое) разрешение. Нередко указываются и аппаратное, и интерполяционное разрешение, например, 600х 1200 (9600) ppi. Здесь 600 - аппаратное разрешение, а 9600 - интерполяционное.

Различимость линий

Различимость линий (Line detectability) - максимальное количество параллельных линий на дюйм, которые воспроизводятся с помощью сканера как раздельные линии (без слипаний). Этот параметр характеризует пригодность сканера для работы с чертежами и другими изображениями, содержащими много мелких деталей. Его значение измеряется в линиях на дюйм (lines per inch, Ipi).

Какое разрешение сканера следует выбрать

Этот вопрос чаще других задают при выборе сканера, поскольку разрешение - один из самых главных параметров сканера, от которого существенно зависит возможность получения высококачественных результатов сканирования. Однако это вовсе не означает, что следует стремиться к максимальному возможному разрешению, тем более, что оно дорого стоит.

Вырабатывая требования к разрешению сканера, важно уяснить общий подход. Сканер является устройством, преобразующим оптическую информацию об оригинале в цифровую форму и, следовательно, осуществляющим ее дискретизацию. Наданном этапе рассмотрения кажется, что чем мельче дискретизация (больше разрешение), тем меньше потерь исходной информации. Однако результаты сканировании предназначены для отображения с помощью некоторого устройства вывода, например, монитора или принтера. Эти устройства имеют свою разрешающую способность. Наконец, глаз человека обладает способностью сглаживать изображения. Кроме того, печатные оригиналы, полученные типографским способом или посредством принтера, также имеют дискретную структуру (печатный растр), хотя это может быть и не заметно для невооруженного глаза. Такие оригиналы обладают собственным разрешением.
Итак, есть оригинал с собственным разрешением, сканер со своей разрешающей способностью и результат сканирования, качество которого должно быть как можно выше. Качество результирующего изображения зависит от установленного разрешения сканера, но до некоторого предела. Если установить разрешение сканера больше собственного разрешения оригинала, то от этого качество результата сканирования, вообще говоря, не улучшится. Мы не хотим сказать, что сканирование с более высоким, чем у оригинала, разрешением бесполезно. Есть ряд причин, когда это нужно делать (например, когда мы собираемся увеличивать изображение при выводе на монитор или принтер или когда надо избавиться от муара). Здесь мы обращаем внимание на то, что улучшение качества результирующего изображения за счет повышения разрешения сканера не беспредельно. Можно увеличивать разрешение сканирования, не добиваясь при этом улучшения качества результирующего изображения, но зато увеличивая его объем и время сканирования.

О выборе разрешения сканирования мы еще неоднократно будем говорить в данной главе. Разрешение сканера - это максимальное разрешение, которое можно установить при сканировании. Так какая же величина разрешения нам нужна? Ответ зависит от того, какие изображения вы собираетесь сканировать и на какие устройства выводить. Ниже мы приведем лишь ориентировочные значения.
Если вы собираетесь сканировать изображения для последующего вывода на экран монитора, то обычно достаточно разрешения 72-l00ppi. Для вывода на обычный офисный или домашний струйный принтер - 100-150 ppi, на высококачественный струйный принтер - от 300 ppi.

При сканировании текстов из газет, журналов и книг с целью последующей обработки программами оптического распознавания символов (OCR - Optical Character Recognition) обычно требуется разрешение 200-400 ppi. Для вывода на экран или принтер эта величину можно уменьшить в несколько раз.

Для любительских фотографий обычно требуется 100-300 ppi. Для иллюстраций из роскошных типографских альбомов и буклетов - 300-600ppi.

Если вы собираетесь увеличивать изображение для вывода на экран или принтер без потери качества (четкости), то разрешение сканирования следует установить с некоторым запасом, т. е. увеличить его в 1,5-2 раза по сравнению с приведенными выше значениями.

Рекламным агентствам, например, требуется высококачественное сканирование слайдов и бумажных оригиналов. При сканировании слайдов для вывода на печать в формате 10x15 см потребуется разрешение 1200 ppi, а в формате А4 - 2400 ppi.
Обобщая изложенное выше, можно сказать, что в большинстве случаев аппаратного разрешения сканера 300 ppi достаточно. Если же сканер имеет разрешение 600 ppi, то это очень хорошо.

ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОМОЩИ КОНЦЕНТРАЦИОНОГО

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА КФК– 2

Цель работы : изучить явление ослабления света при прохождении через вещество и фотометрические характеристики вещества, изучить устройство концентрационного фотоэлектрического калориметра КФК-2 и методику работы с ним, определить оптическую плотность и концентрацию окрашенного раствора с помощью КФК-2.

Приборы и принадлежности : калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК – 2, исследуемый раствор, набор растворов стандартной концентрации.

Теория работы

При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе. Световые электромагнитные волны приводят в колебательное движение как свободные электроны вещества, так и связанные электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (оптические электроны), которые излучают вторичные волны с частотой падающей электромагнитной волны. Вторичные волны образуют отраженную волну и волну, проникающую внутрь вещества.

В веществах с высокой плотностью свободных электронов (металлах) вторичные волны порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95 % интенсивности падающей волны. Та же часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем сильное поглощение, и энергия световой волны превращается в тепловую. Поэтому металлы сильно отражают падающий на них свет и практически непрозрачны.

В полупроводниках плотность свободных электронов меньше, чем в металлах, и они слабее поглощают видимый свет, а в инфракрасной области вообще прозрачны. Диэлектрики поглощают свет избирательно и прозрачны только для определенных участков спектра.

В общем случае при падении света на вещество падающий световой поток Ф 0 можно представить в виде суммы световых потоков:

где Ф r – отраженный, Ф a – поглощенный, Ф t – прошедший через вещество световой поток.

Явление взаимодействия света с веществом описывается безразмерными величинами, которые называются коэффициентами отражения , поглощения и пропускания . Для одного и того же вещества

r + a + t = 1. (2)

Для непрозрачных тел t = 0; для идеально белых тел r = 1; для абсолютно черных тел a = 1.

Величина называется оптической плотностью вещества.

Коэффициенты r, a, t характеризуют фотометрические свойства вещества и определяются фотометрическими методами.

Фотометрические методы анализа широко применяются в ветеринарии, зоотехнии, почвоведении, технологии материалов. При исследовании веществ, растворенных в практически непоглощающем растворителе, фотометрические методы основаны на измерении поглощения света и на зависимости между поглощением и концентрацией растворов. Приборы, предназначенные для абсорбционного (абсорбция – поглощение) анализа прозрачных сред, называются спектрофотометрами и фотокалориметрами. В них при помощи фотоэлементов сравниваютcя окраски исследуемых растворов со стандартным.

Зависимость между поглощением света окрашенным раствором и концентрацией вещества подчиняется объединенному закону Бугера – Ламберта – Бера:

, (3)

где I 0 – интенсивность потока света, падающего на раствор; I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор; c - концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина поглощающего слоя в растворе; k - коэффициент поглощения, который зависит от природы растворенного вещества, растворителя, температуры и длины световой волны.

Если с выражено в моль/л, а l - в сантиметрах, то k становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается e l , следовательно:

. (4)

Прологарифмировав (4), получим:

Левая часть выражения (5) является оптической плотностью раствора. С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера примет вид:

т. е. оптическая плотность раствора при определенных условиях прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине поглощающего слоя.

На практике наблюдаются случаи отклонения от объединенного закона поглощения. Это происходит потому, что некоторые окрашенные соединения в растворе претерпевают изменения за счет процессов диссоциации, сольватации, гидролиза, полимеризации, взаимодействия с другими компонентами раствора.

Вид графика зависимости D = f(c) представлен на рис. 1.

Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. оптическая плотность окрашенного раствора различна для различных длин волн па- дающего света. Измерение оптической плотности с целью определения концентрации раствора проводят в области максимального поглощения, т. е. при длине волны

падающего света близкой к l max .

Для фотометрического определения концентрации раствора сначала строят калибровочный график D = f(c ). Для этого готовят серию стандартных растворов. Затем измеряют величины их оптической плотности и строят график зависимости

D = f(c) . Для его построения необходимо иметь 5 – 8 точек.

Экспериментально определив оптическую плотность исследуемого раствора, находят ее значение на оси ординат калибровочного графика D = f(c ), а затем на оси абсцисс отсчитывают соответствующее значение концентрации с х.

Используемый в работе калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК–2 предназначен для измерения отношения потоков света на отдельных участках длин волн в диапазоне 315 - 980 нм, выделяемых светофильтрами, и позволяет определять коэффициенты пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также концентрации веществ в растворах методом построения градуировочных графиков D = f(c) .

Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки - полный I 0 и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков.

Внешний вид фотокалориметра КФК–2 представлен на рис. 2. Он включает в

себя источник света, оптическую часть, набор светофильтров, фотоприемники и регистрирующий прибор, шкала которого откалибрована на показания светопропускания и оптической плотности. На лицевой панели фотокалориметра КФК – 2 имеются:

1 - микроамперметр со шкалой, оцифрованной в величинах коэффициента про-

пускания Т и оптической плотности D ;

2 - осветитель;

3 - ручка переключения светофильтров;

4 - переключатель кювет в световом пучке;

5 - переключатель фотоприемников «Чувствительность»;

6 - ручки «Установка 100»: «Грубо» и «Точно»;

7 - кюветное отделение.

Порядок выполнения работы

1. Включить прибор в сеть. Прогреть в течение 10 – 15 мин.

2. При открытом кюветном отделении установить стрелку микроамперметра на «0»

по шкале «Т».

3. Установить минимальную чувствительность, для этого ручку «Чувствитель-

ность» переключить в положение «1», ручку «Установка 100» «Грубо» переключить в крайнее левое положение.

4. В световой пучок поместить кювету с растворителем или контрольным раство-

ром, по отношению к которому производится измерение.

5. Закрыть крышку кюветного отделения.

6. Ручками «Чувствительность» и «Установка 100» «Грубо» и «Точно» установить

отсчет 100 по шкале фотокалориметра. Ручка «Чувствительность» может находиться в одном из трех положений «1», «2», или «3».

7. Поворотом ручки «4» кювету с растворителем заменить кюветой с исследуемым

раствором.

8. Снять отсчет по шкале микроамперметра, соответствующий коэффициенту про-

пускания исследуемого раствора в процентах, по шкале «Т» или по шкале «Д» - в единицах оптической плотности.

9. Измерения провести 3–5 раз и окончательное значение измеряемой величины оп-

ределить как среднее арифметическое из полученных значений.

10. Определить абсолютную погрешность измерения искомой величины.

Задание № 1. Изучение зависимости оптической плотности от длины

Волны падающего света

1.1. Для стандартного раствора определить оптическую плотность при различных частотах падающего света.

1.2. Данные занести в таблицу 1.

1.3. Построить график зависимости оптической плотности от длины волны l па-

дающего света D = f(l) .

1.4. Определить l и номерсветофильтра для D max .

Таблица 1

Задание № 2. Проверка зависимости оптической плотности от толщины

Поглощающего слоя

2.1. Для стандартного раствора, используя светофильтр с l D для кювет различного размера.

2.2. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

2.3. Построить график зависимости D = f(l) .

Задание № 3. Построение калибровочного графика и определение концент-

Рации неизвестного раствора

3.1 . Для серии стандартных растворов известной концентрации, используя све-

тофильтр с l max (см. задание № 1), определить D .

3.2. Данные измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

3.3. Построить калибровочный график D = f(с) .

3.4. По графику D = f(с) определить концентрацию неизвестного раствора.

Контрольные вопросы

1. Явление ослабления света при прохождении через вещество, механизм поглоще-

ния для разных типов вещества.

2. Параметры, характеризующие фотометрические свойства вещества.

3. Объясните сущность фотометрических методов анализа.

4. Сформулируйте объединенный закон поглощения Бугера–Ламберта–Бера.

5. Каковы причины возможных отклонений свойств растворов от объединенного за-

кона поглощения?

6. Молярный коэффициент поглощения, его определение и факторы, от которых он

7. Как осуществляется выбор длины волны поглощаемого излучения при фотокало-

риметрических измерениях?

1. Как строится калибровочный график?

2. Объясните устройство и принцип работы фотокалориметра КФК–2.

3. Где и для чего применяется абсорбционный анализ?

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 24, § 187.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XХ,

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 50.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–03

Оптическая плотность

D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения (См. Поток излучения) F 0 , падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F , прошедшему через этот слой: D = lg (F 0 /F ), иначе, О. п. есть логарифм величины, обратной Пропускания коэффициент у слоя вещества: D = lg (1/τ). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзен ом; оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в Светофильтр ах и иных оптических изделиях. Особенно широко О. п. пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии (См. Денситометрия). Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис. ).

О. п. зависит от набора частот ν (длин волн λ), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной ν называется монохроматической О. п. Регулярная (рис. , а)монохроматическая О. п. слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна 0,4343 k ν l , где k ν - натуральный Поглощения показатель среды, l - толщина слоя (k ν l = κcl - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закон а; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k ν заменяется на натуральный Ослабления показатель). Для смеси нереагирующих веществ или совокупносги расположенных одна за другой сред О. п. этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же О. п. отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической О. п. (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от ν) поглощением. Регулярная немонохроматич. О. п. совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы О. п. этих сред. (О приборах для измерения О. п. см. в статьях Денситометр , Микрофотометр , Спектрозональная аэрофотосъёмка , Спектросенситометр , Спектрофотометр , Фотометр .)

Лит.: Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963; Джеймс Т., Хиггинс Дж., Основы теории фотографического процесса, пер. с англ., М., 1954.

Л. Н. Капорский.

Типы оптической плотности слоя среды в зависимости от геометрии падающего и способа измерения прошедшего потока излучения (в принятой в СССР сенситометрической системе): а) регулярную оптическую плотность D II определяют, направляя на слой по перпендикуляру к нему параллельный поток и измеряя только ту часть прошедшего потока, которая сохранила первоначальное направление; б) для определения интегральной оптической плотности D ε перпендикулярно к слою направляется параллельный поток, измеряется весь прошедший поток; в) и г) два способа измерения, применяемые для определения двух типов диффузной оптической плотности D ≠ (падающий поток - идеально рассеянный). Разность D II - D ε служит мерой светорассеяния в измеряемом слое.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .