Исследование спектров поглощения

И пропускания

Цель работы: Исследование спектральных характеристик абсорбционных светофильтров на основе цветного стекла.

Приборы и принадлежности: монохроматор МУМ-01, узел светодиодного излучателя, кюветное отделение, фото приемный узел, блок обработки сигнала, цифровой вольтметр MXD - 1660M.

Введение

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волны при прохождении её через вещество вследствие возбуждения колебаний электронов среды. Эта энергия частично переходит во внутреннюю или в энергию вторичного излучения. В спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, часть цветов исчезает, то есть появляются темные линии или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Согласно теории Бора при движении валентного электрона по ближайшей к ядру дозволенной орбите атом находится в основном состоянии, в котором атом может находится неограниченно долгое время. Когда электрон движется по какой-либо другой из дозволенных орбит, состояние атома называется возбужденным и является менее устойчивым, чем основное состояние. При переходе из возбужденного состояния в основное атом излучает квант энергии. Наоборот, переход атома в возбужденное состояние может происходить только при наличии внешнего воздействия на атом, например при поглощении атомом фотона.

Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

, (1)

где I, I ₀– интенсивность плоской монохроматической волны падающего и прошедшего через слой вещества излучения соответственно, a – линейный коэффициент поглощения света веществом, зависящий от длины волны λ (или частоты) света, химической природы и состояния вещества и независящий от интенсивности света, l – толщина поглощающего слоя.

Коэффициент a различается для разных веществ. Для одноатомных газов и паров металлов, где атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, a» 0 и только в узких спектральных областях (10^-12 – 10^-11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти области резкой абсорбции атомов соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов.

Коэффициент поглощения для прозрачных диэлектриков невелик (порядка 10^-3 – 10^-7 м) из-за отсутствия свободных электронов, однако в условиях резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах возникает сплошной спектр поглощения.

У металлов значение a велико (10⁴ – 10⁶ м^-1): из-за свободных электронов световая энергия быстро переходит во внутреннюю.

Коэффициент поглощения a зависит от длины волны, поэтому поглощающие вещества имеют окрас. Например, стекло, слабо поглощающее красные лучи и сильно поглощающее синие и зеленые лучи, при освещении белым светом будет казаться красным, а при освещении синим и зеленым светом – черным из-за сильного поглощения. Это явление используется в светофильтрах, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определённых длин волн. Таким образом, чем больше a для данной длины волны, тем отчетливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра поглощения.

Спектральная характеристика стекол характеризуется численными значениями показателя поглощения k _λ или оптической плотности D _λ для различных длин волн и спектральными кривыми коэффициента пропускания τ_λ, оптической плотности D _λ и логарифма оптической плотности lnD _λ. Из соотношения (1) получаем:

a = k _λ = , (2)

где τ_λ = I / I ₀ – коэффициент пропускания стекла толщиной l мм для монохроматического света длинной волны λ.

Оптическая плотность D _λ массы стекла для монохроматического света длинной волны l связана с показателем поглощения k _λ и коэффициентом пропускания τ _λ следующим соотношением.

D _λ = - ln t_l = k _λ l. (3)

Учитывая потери на отражение от двух поверхностей стекла, коэффициент пропускания t_λ светофильтра толщиной l (мм) при перпендикулярном падении монохроматического света заданной длинны волны, равен:

t_l = (1 - r)²× , (4)

где r – коэффициент отражения, определяемый по формуле [3]:

r = . (5)

Обычно коэффициент отражения ρ условно принимается за постоянную для стекла каждой марки величину, зависящую только от показателя преломления этого стекла в видимой области спектра n_D. Фактически показатель преломления непостоянен и зависит о длины волны проходящего света. Наиболее значительно показатель преломления отличается от n_D в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это вносит погрешность в определении коэффициента отражения и поправки на отражение от поверхностей стекла. Наибольшей эта погрешность будет в тех случаях, когда рабочая область светофильтра находится за пределами видимого спектра, а величина показателя поглощения мала, то есть сравнима с величиной коэффициента отражения.

Рис. 1 Внешний вид лабораторной установки

Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 1. Здесь: 1 – узел излучателя; 2 – монохроматор; 3 – кюветное отделение; 4 –узел фотоприёмника; 5 – блок обработки сигнала; 6 – вольтметр; 7 – переключатель; 8 – индикатор; 9 – регулировочный винт.

Узел излучателя (1) с установленным светодиодом белого света (диапазон излучения 400 ÷ 700 нм) находится непосредственно перед входной щелью монохроматора (2) на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение (3) и попадающий на фотодиод фотоприёмного узла (4). Сигнал с приёмного узла подается на блок обработки сигнала (5). Информация с блока обработки сигнала выводится на экран цифрового вольтметра (6). Функциональная схема установки приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема лабораторной установки.

Для устранения влияния внешних постоянных источников света светодиод питается пульсирующим током частотой 20 кГц с узла модуляции (УМ) от генератора (Г). Световой поток от светодиода прошедший через исследуемый образец (обр.) принимается приемным фотодиодом; полученный сигнал усиливается предварительным усилителем (ПУ). Сигнал с (ПУ) выделяется синхронным детектором (СД), усиливается усилителем (У) и подается на вход измерительного прибора (Вольтметр). При превышении сигналом допустимой величины компаратор (К) включает световой (красный мигающий индикатор перегрузки) и звуковой сигналы. В этом случае требуется уменьшить мощность источника излучения, переведя переключатель на блоке обработки сигнала (7) в положение «0».

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: