Начална страница | Геометрична оптика | Биноклите | Почистване на оптични детайли | Астрофотография | Спектроскопия за астролюбители | Азбучен указател на оптичните термини



ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ В АБСОРБЦИОННАТА ФОТОМЕТРИЯ

КОЕФИЦИЕНТИ НА ПОГЛЪЩАНЕ И ПРОПУСКАНЕ, ЕКСТИНКЦИЯ НА ВЕЩЕСТВО. УРЕДИ И МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ПРОПУСКЛИВОСТ И ЕКСТИНКЦИЯ НА РАЗТВОРИ


      Ако монохроматичен светлинен сноп с начална интензивност I0 измине разстояние d в твърд полупрозрачен материал или в разтвор на някакво вещество, то интензивността му ще спадне до стойност I поради частичното поглъщане на светлината от веществото. Тази поглъщаща способност се характеризира с коефициента на поглъщане (или абсорбционна константа) kl за съответната дължина на светлинната вълна l, според зависимостта:

ln I - ln I0 = -kld

      или спрямо I:

I = I0e-kld

известно като закон на Буге-Ламберт.
      Най-висока поглъщаща способност има абсолютното черно тяло с k=1. Някои материали в природата също имат високо поглъщане, например саждите.

      Пропускане на едно вещество се нарича величината

t = I/I0

      която обикновено се дава като процент:

t% = (I/I0)*100

      Екстинкция на веществото или загасване се нарича величината:

E = lg(1/t) = lg(I0/I)

      Пример:
      Имаме слънчев филтър, пропускащ 1/100 000 част от светлината, т.е. с отношение между интензитетите Iфилт. на преминалата през филтъра светлина и Iслънч. на попадащата върху него слънчева:

t = Iфилт./Iслънч. = 1/100 000

      Процентната му пропускливост t% ще бъде:

t% = (Iфилт./Iслънч.)*100 = (1/100 000)*100 = 0.00001*100 = 0.001%

      Екстинкцията на филтъра ще бъде:

E = lg(1/t) = lg(Iслънч./Iфилт.) = lg 100 000 = 5

      За филтрите обаче вместо екстинкция, по-често се използва терминът плътност. В случая казваме, че този филтър има плътност 5.

      При фотографските светофилтри най-често интерес представлява отношението I0/I - филтър-фактора, който говори колко пъти трябва да удължим експозицията или да повишим светлосилата на фотообектива чрез диафрагмата му, ако поставим филтъра пред него.

      Разтворите често имат различна пропускливост за различните дължини на вълната l, което говори за концентрацията и вида на разтвореното вещество. Например ако имаме бордолезов разтвор (разтвор на "син камък" във вода), то пропускливостта му към жълтите и червените лъчи ще бъде намалена, поради характерния му син цвят (на практика разтворът действа като син светофилтър). Освен това колкото по-наситен е цветът, толкова концентрацията на разтвореното вещество е по-висока. Изследването на пропускливостта на разтворите позволява да се съди за моларната им концентрация - моловете на разтвореното вещество в единица обем от разтвора, което на свой ред е в пряка връзка с моларността на разтвора - отношението на количеството разтворено вещество към масата на разтворителя. Моларността се изразява в молове на килограм (mol/kg).
      Количеството светлина погълнато от разтвор с моларна концентрация c се характеризира с моларен коефициент = [lg(I0/I)]/cd, където I0 е началната интензивност на попадащата в разтвора монохроматична светлина, изминала разстояние d в него, при което интензитетът й е спаднал до стойност I.

      Чрез измерване на пропускането на прозрачните вещества за различни дължини l се сваля тяхната спектрална пропускливост, което е важна оптична характеристика. Спектралната пропускливост е различна, например при разноцветните фотографски светофилтри тя е сравнително проста - с максимум за съответния цвят на филтъра и намаляваща за останалите цветове. Някои филтри обаче имат сложна графика на пропускливостта. Например интерференчните deep-sky филтри, използвани в астрофотографията за наблюдения и фотографиране на мъглявини, имат ниска пропускливост за нощното светене на небето и за ярките линии в спектрите на живака и натрия, доминиращи в светлинното замърсяване над градовете, но добре пропускат линиите на водорода Ha на 656.28 nm, Hb на 486.13 nm и на кислорода OIII на 493.9 и 500.7 nm, в които най-силно свети междузвездния газ.

      Пропускането t и екстинкцията E на дадена стъклена пластинка или разтвор се измерват с колориметри, като например фотометъра на Пулфрих или по-съвременните му варианти, познати като фотоелектрични колориметри и нефелометри - например няколкото модела руски "ФЕК", разпространени у нас.


      Колориметрите от серията ФЕК:
      На схемата е показана обобщена принципна схема на повечето модели от тези колориметри:
      Приборът разполагат с два еднакви комплекта светофилтри, монтирани в еднаква последователност на двата носещи барабана 2, въртящи се на обща ос и позволяващи бърза смяна на филтрите чрез ръкохватката 8, изведена отвън на корпуса. Светофилтрите позволяват работа в близката ултравиолетова, видимата и близката инфрачервена област.
      Светлината от лампата с нажежаема жичка 1 се отбива и привежда в два успоредни снопа, чрез плоски огледала и кондензорните лещи 4. Двата снопа преминават през два еднакви по цвят светофилтъра, избрани чрез въртене на носещите ги барабани 2. Така се оформят два оптични канала, в които има възможност да се поставят кюветите 5 - малки правоъгълни стъклени съдчета, съставени от прецизно слепени плоско-паралелни стъкла. В тези прозрачни съдчета се наливат изследваните разтвори и разтворители, след което се поставят в двата светлинни потока на прибора.
      За фотоприемници служат двете постоянно свързани в мостова схема фотоклетки 7 - за двата оптични канала по една (при някои от моделите ФЕК) или две сменящи се фотоклетки, работещата от които е обща и за двата канала (при други модели ФЕК). В последния случай, въртящ се около фотоклетката цилиндричен обтуратор с отвори пропуска периодично светлина към нея ту от единия канал, ту от другия. При тези модели, сменящите се фотоклетки са с различни червени граници на фотоефекта - една за работа от близката UV област до жълто-оранжевите цветове и една - до близката IR област. Слабите токове, получени във фотоклетките (или фотоклетката - за съотв. модели ФЕК) се усилват от електронен усилвател, свързан към единия диагонал на мостовата схема или директно се отчитат с милиамперметър с двустранна симетрична скала (с 0 в средата), имащ две нива на чувствителност - висока и ниска. Чувствителността се променя с превключвател, изведен на предния панел на прибора. По скалата на милиамперметъра се вижда дали мостовата схема е уравновесена, т.е. дали интензивността на светлината в двата оптични канала е еднаква - необходимо условие преди започване на измерването. Ако системата е несиметрична, тя може да се уравновеси електрически чрез потенциометър. При модела ФЕК-М, в левият оптичен канал са разположени два подвижни неутрално сиви полупрозрачни клина за грубо и фино регулиране, чрез които също може да се уравновеси системата.
      В двата оптични канала на повечето модели ФЕК са разположени по една диафрагма 3 с променлив диаметър. Двата барабана 9 и 10, управляващи диафрагмите, имат по 2 скали, нанесени с червен и черен цвят. Скалата в черно е пропускливостта t% и е разграфена от 0 до 100%, а до нея, в червено е нанесена скалата на екстинкцията E. Пропускане 100% и за двата канала имаме при максимално отворени диафрагми, при което мостовата схема на прибора трябва да е в равновесие. Диафрагмите могат да се разглеждат като обекти с променлива пропускливост - според диаметрите на действащите им отвори, при това независеща от дължината на светлинната вълна l.
      При работа, първо избираме съответната двойка еднакви светофилтри, в чиито цвят ще правим измерванията. След това в единия оптичен канал поставяме кювета пълна с изследвания разтвор, а в другия - кювета от същия тип, пълна с разтворителя, в който е получен разтвора. При това стрелката на милиамперметъра се отклонява от равновесното си положение. Компенсираме намалената пропускливост от разтвора в неговия канал чрез притваряне на диафрагмата на другия канал - в който е кюветата с разтворител, чрез въртене на съответния барабан, докато стрелката на милиамперметъра се върне отново на 0. Отчитаме пропускливостта t% и екстинкцията E по двете скали на същия барабан. Барабанът на диафрагмата в канала с разтвора остава отворена на 100%.
      Така правим няколко замервания и вземаме средно аритметичните стойности от резултатите, след което изваждаме кюветите, установяваме двете диафрагми на t 100%, ако е нужно - нулираме електрически прибора и правим отново няколко измервания, като разменяме местата на кюветите с разтвора и разтворителя.
      При различните модели ФЕК могат да се прилагат различни методи за измерване или по няколко метода - директен, субституционен или др., според устройството на прибора.
      Преди започване на работа, колориметърът трябва да е включен и темпериран, но със затворени фотоклетки чрез специалните за целта клапи, за да не се изтощават напразно.

      "Спекол" на Карл Цайс
      На малко по-различен принцип работи колориметърът "Spekol" на Карл Цайс, при който множеството отделни светофилтри са заменени с подвижна дифракционна решетка, дисперсираща успореден светлинен сноп, който идва от лампа с нажежаема жичка и кондензорна оптика. В даден момент само една от двете кювети (с разтвор или с разтворител) може да се намира в монохроматичния светлинен сноп на прибора, но това не е проблем, тъй като кюветите се сменят лесно и бързо чрез предвидено за целта устройство. Зад гнездото за кюветите е разположен фотоприемник, електрическия сигнал от който се измерва от милиамперметър, директно разграфен в t% и E. Преди всяко измерване приборът се нулира електрически, като стрелката на милиамперметъра се установява на t% = 100%. Ъгълът на дифракционната решетка се нагласява на желаната дължина l чрез микрометричен винт, разграфен в нанометри. При работа, с две последователни измервания се отчита разликата в пропускливостта на кюветата с разтворител и на кюветата с разтвора. С този прибор се работи бързо и удобно.

      Макар по-неудобно, пропускане и екстинкция могат да се измерват и с монохроматори. Монохроматорът е уред за получаване на монохроматична (едноцветна) светлина с избрана дължина на вълната l, в която по подобие на горните методи, може да се изследва екстинкцията на разтвор за определяне на концентрация му или да се правят различни други измервания.



Принципна схемана монохроматор


      В лабораториите у нас са по-разпространени два модела монохроматори:

      Руският УМ2
      Неговият дисперсиращ елемент е сложна триелементна призма, чрез промяна на ъгъла на която се избира желания цвят в изходния процеп на прибора. Кондензорната оптика е лещова. Ширината на входния и изходния процеп може да се регулира чрез микрометричен винт, с точност до 0.01 mm. В комплекта на монохроматора влизат още една призма с друга дисперсия, няколко спектрални лампи, галванометър, селенов фотоелемент и набор кювети за изследване екстинкцията на разтвори.

      SPM1 на Карл Цайс
      Също призмов монохроматор, но кондензорната му оптика е съставена изцяло от вдлъбнати огледала, за да се избегне напълно
хроматичната аберация. И при този прибор ширината на входния и изходния процеп може да се регулира с точност до 0.01mm. В комплекта на монохроматора влизат няколко призми, позволяващи работа от ултравиолетовата до инфрачервената област на спектъра.


      Вижте също:

Фотометрични величини: интензивност на светоизточник - кандела (cd), светлинен поток - лумен (lm) и осветеност на повърхнина - лукс (lx);

Показатели на пречупване на различни марки оптични стъкла и на някои прозрачни вещества;

Отразяваща способност на повърхност, закони за отражението и пречупването на светлината;

Поляризация на светлината и въртене на равнината на поляризацията;

Абсолютно черно тяло;

Светлина и видим спектър;

Плътност на фотографски образ, динамичен обхват на фотоемулсия, реципрочност и дефект на реципрочността - ефект на Шварцшилд;

Фотографски светофилтри - примери за използването им;

Просветляване, противорефлексни покрития на оптиката;

Имерсионна оптика.


Начална страница

Тематичен указател на всички статии на автора

Азбучен указател на оптичните термини