> Техника, страница 81 > Спектрофотометрия

Спектрофотометрия

Спектрофотометрия, отдел фотометрии,занимающийся измерениями ослабления света при прохождении его через какую-либо среду или при отражении от какой-либо поверхности.

Определения и терминология. (Символика величин, в отличие от принятой в статье «Поглощение света», согласована с ОСТ 1996, изд. 1932 г.) Прозрачностью (или пропусканием) называется отношение силы света, прошедшего через вещество, к силе света, входящего в него:

Непрозрачность—величина, обратная прозрачности, то есть у. Натуральный логарифм этой величины

In=Е=- In Т

назовем погашением света. Десятичный же логарифм этой величины называется оптической плотностью D. По Бугеру (1729 г.) и Ламберту (1780 г.) слои вещества одинаковой толщины при прочих равных’ условиях всегда поглощают одну и ту же долю падающего на них света (закон Бугера), Отсюда следует, что отношение силы света, прошедшего

20

через слой и упавшего на него, не зависит от силы света:

— η[-=εάχ,

где ε—постоянная, называемая показателем погашения света, а х—толщина слоя. Разделяя переменные и интегрируя в пределах от ж=0 до х=1 (полная толщина слоя), получим

1=1₀е-^еЧ.. (1)

Положив е~^Е=β, получим I=J_ej8“, где β называется коэфициентом пропускания. Переходя к десятичным логарифмам, получим:

= /₀ · 10~^εά,

где ε — ε In e=ε · 0,434 и называется показателем поглощения света. Кроме толщины слоя поглощение зависит и от концентрации поглощающего свет вещества, содержащегося в этом слое. По Бееру (правило Беера) поглощение пропорционально концентрации этого вещества. Введя концентрацию с мы получим, что -di=kcdk, где k—постоянная, называемая показателем удельного погашения света, откуда

J·

In

kcd

Мл И

Или

I=he

>-kcd

kcd

I=1₀. lQ-kcd^

(?)

где k называется показателем удельного поглощения. Ур-ие (2), известное обычно под именем закона Беера-Ламберта (правильнее было называть его законом Бугера-Беера), образует основу всей количественной С. и колориметрии (смотрите). Справедливость закона Bvrepa проверялась неоднократно (Грюнбаум, Мюллер, Вавилов и др.) и его можно считать строго установленным; приложимость же правила Беера самым тесным образом связана с различными химич. факторами, и от него часто наблюдаются отклонения, как это видно например из двух следующих примеров: 1) Кристал ь-в и о л е т. k_max=2,0 для Я —590 тр при с=М0 « и k_max=2,8 для Я-530 тр при с=0,5-10“». 2) Метиленовый синий. Максимум кривой поглощения соответствует: ;.=663 тр при концентрации с=1,3-10^_в и Λ =-600‘mji при с=3 - ΙΟ—*.

Методика измерения спектров поглощения состоит в спектрофотометрическ. определении ослабления света для различных длин волн и вычислениях отсюда значения Е или к. Для жидких тел толщина поглощающего слоя задается расстоянием между плоскопараллельными пластинками, закрывающими сосуд, в к-рый наливается жидкость, твердые же тела должны исследоваться в виде плоскопараллельных пластинок точно определенной толщины, причем в случае кристаллов должен быть известным положение светового луча по отношению к оптич. оси. Т. к. на практике измеряется всегда ослабление падающего на тело луча, то необходимо принимать во внимание ослабление света вследствие отражения. По формуле Френеля при перпендикулярном падении луча на плоскость раздела двух сред, относительный показатель преломления которых равен п, эта отраженная часть г равна

(η-1)_²β

(П+1)²

В случае пластинки с двумя поверхностями отражения доля отраженного света г_£ равна

_ ²_L_

U - 1^7*

Потеря света вследствие отражения обычно не вычисляется, но элиминируется при помощи надлежащего расположения опыта, делающего эту потерю приблизительно одинаковой в обоих пучках света. В случае растворов измерения можно производить двумя способами: а) из дву: световых пучков одинаковой интенсивности один пропускают через раствор, а другой— через растворитель, взятые в слоях одинаковой толщины. Мы имеем тогда:

Г=2„ · lCT^£°^d (Г)

(ε₀—постоянная поглощения растворителя) и I=J₀. 10~^ed (Г)

(ε — постоянная поглощения для раствора), откуда

In у-: d=ε — ε₀.

При таком расположении мы получаем разность постоянных поглощения раствора и растворителя, то есть постоянную поглощения растворенного вещества, б) Во втором способе сравнивают между собой два слоя различной толщины одного и того же раствора. Из ур-ий

Ιι=Ι₀· 10^-edl

II

to-⁴

мы получаем

избегая т. о. ошибок, возникающих вследствие внутреннего отражения. Для того чтобы значения ε, полученные по этому второму способу, можно было сравнить с полученными по первому способу, необходимо знать постоянные поглощения ε₀ для растворителя, которые для обычных растворителей (вода, хлороформ, голь ит. п.) можно считать равными нулю.

Из приборов для измерения спектров поглощения (спектрофотометров) здесь рассматриваются лишь наиболее часто встречающиеся в лабораториях. Одним из самых старых приборов этого рода является спектрофотометр Фирорда, в котором щель обыкновенного спектроскопа Гем.) заменена двойной щелью, состоящей из двух расположенных одна над другой щелей, ширину каждой из которых можно изменять при помощи микрометрия, винтов. В поле зрения получаются при этом два спектра,-к-рые при одинаковом освещении и равной ширине щелей кажутся одинаково яркими. Окуляр снабжен кроме того щелью, которая позволяет выделять требуемую для измерения часть спектра. При сравнении интенсивностей двух пучков света один из них пускают прямо на одну из щелей, а другой при помощи призмы с полным внутренним отражением—на другую. Для получения одинаковой яркости изменяют ширину одной- из щелей. Спектрофотометр Фирорда снабжается в настоящее время по предложению Крюса билатеральной двойной щелыо, раздвигающейся симметрично в обе стороны. При больших разницах в ширине щелей наблюдается заметная разница в окраске сравниваемых полей, сильно затрудняющая измерения. Следует заметить также, что во всех щелевых спектрофотометрах изменение силы света тогда лишь строго пропорционально ширине щели, когда кривая ее распределения по спектру приближается к горизонтальной, то есть около максимума; чем круче эта кривая, тем более заметно влияние ширины щели. В распространенном в США спектрофотометре Кеуфеля и Эссера сила света одного из пучков может изменяться при помогай вращающегося диска с переменным на ходу открытием. Значительно более совершенным прибо-! ром является спектрофотометр Брэса с дву-

мя коллиматорами и спектрофотометр Луммер-Бродхуна. Из поляризационных спектрофотометров (Глана, Неттинга, Кениг-Мартенса) наиболее совершенным является спектрофото-

ь

I I ¹

i fir γ

* и J. .1 mi

I

iv ! /иг

Ты

I

2v

I

f-+

2hl

I 2hr I I Zv 2vr I

7^4

Фигура 1.

метр Кениг-Мартенса, представляющий собой соединение двух приборов: спектроскопа и фотометра Мартенса (фигура 1): I и II—две горизонтально лежащие коллиматорные щели; линза О дает изображение этих щелей (1 и 2) в своей фокальной плоскости. Призма Волластона W делает из них четыре изображения: lh, lv, 2h и 2v, поляризованные попарно в вертикальной и горизонтальной пло-.

скостях и несколько смещен- /^ Λι ные относительно 1 и 2. Эти ^ "

четыре изображения верхней частью бипризмы;^ отклоняются несколь-

а,Ь -

I

1И Й i

I N

ко вниз, а нижней—вверх (lhr, lvr, lhl, lvl, 2hr, 2vr, 2hl, 2vl). Все эти изображения лежат очевидно в плоскости 1—2. В В находится 400 450

Н. 6 Гейсслер.оо трубке $

Ультра-фиол. фраун-

гоферобы линии

НвГейсслер. трубке фиол.

Синий

(смотрите) N обе половины поля зрения можно установить на равную яркость. Спектрофотометр Кениг-Мартенса отличается от фотометра Мартенса лишь тем, что на пути лучей между линзой О и призмой Волластона поставлена призма D (фигура 2; нижний рисунок—план, верхний— разрез). Маленькие призмочки р_г и р₂ предназначены для отклонения в сторону с пути центрального пучка рассеянного постороннего света. Установка на нужную длину волны производится при помощи микрометрии. винта S, причем на барабане отсчитываются сотые доли оборотов, а целые обороты—на шкале, изображенной на фигуре 2 слева от барабана. Прибор должен быть сначала проградуирован. Для этого снимают окулярный николь и надевают вместо него“ прилагаемый к прибору гауссовский окуляр (смотрите), причем при правильной юстировке прибора в окуляр должны быть видны две щели, слегка изогнутые и симметрично пересекающиеся. При несимметричной форме этих щелей невозможны точные измерения. После этого освещают щели светом или гейсслеровых трубочек, содержащих водород или гелий, или вольтовой дуги, содержащей те или иные соли (Na, Li, Ва и тому подобное.). Можно пользоваться и обыкновенной газовой горелкой, в пламя которой вводятся нужные соли. Положение в спектре и длина волн линий Н, Не, Hg и нек-рых других элементов даны в таблице (фигура 3). Полученные данные изображают графически, откладывая длины волны по оси абсцисс, а деления шкалы— по оси ординат. Полученная кривая вполне соответствует формуле

λ=Α +

п-п о где А, В и п₀—постоянные, а п—деления шкалы, т. ч. для построения ее достаточно определить точно п для трех лишь длин волн (взятых разумеется из разных частей спектров). Для измерения поглощения жидкостей спектрофотометр Кениг-Мартенса снабжается специаль-

500 550 600 650 700 800 *

I I ! ! ‘ I Зелен I Желт 0ранж.

Ртутная.

№<>

Хлористые соли в газо-бом пламени

Медная дуга

Серебр. дуга

csk

vsU Cv,

11 Инфра-нр

* Гч			471.3	492.2	<е §	587.6			40 <о <о
к	On On

Цинноб. (Хром) дуга

Кадмиевая (свинец) дуга

Ультрс-фиал. |

фиол.

400

ID

ш>

Синий

500

Se.neh j Желт. Оранж.| | | [ Краем 111 ]) | Инфра-кр: 550 600 ‘ 650 700 800 ’

Фигура 3.

маленькая диафрагма, пропускающая только пучки 1 vr и 2hl. Глаз, смотря через лупу L, видит одну грань бипризмы, освещенную вертикально поляризованным светом от щели J, а другую—светом от щели II, поляризованным горизонтально. Вращающимся николем ным приспособлением Мартенса, особенно удобным для-измерения поглощения толстых слоев. В качестве источника света можно пользоваться любой достаточно яркой лампой, наиболее же удобен специальный диффузный измеритель большой яркости Л. И. Демкиной и Раутиана.,

представляющий собой цилиндрич. кверху сужающийся сосуд, внутри которого заключена лампа на 300—500 V. Внутри он покрыт MgO. Источником света служит небольшое круглое отверстие в сосуде.

В настоящее время измерения производятся чаще по второму методу, не требующему определения нулевого положения. В этом случае, наполнив одну урубку раствором, а другую, такой же длины,—растворителем, делают следующие установки: а) раствор слева (I), растворитель справа (II), установка на равенство полей зрения получается при угле а_г б) раствор справа (II), растворитель слева (I); установка на равенство полей зрения получается при угле а а· Расчеты здесь будут таковы. В первом случае (а) можно написать

Ji /₀·ι о~^е“, „

-±=--=tg² α-,

It Ji-io-ed

а во втором (б)

^ ₌ tg² α₂.

/1 7_o-10“^ed

4 ^J0 ·

Деля первое равенство на второе, получают:

-2(ε — е₀) · d _ tg2 сц tg2 α₂ ’

откуда:

-(ε-ε₀) · d _ tg αι ~~ tg

10"

10"

(3)

И

lg tga₂-lgtg_ai

(4)

Этим методом находят следовательно сразу разность постоянных поглощения раствора и растворителя. Относительная погрешность измерения во втором методе меньше. Для измерения спектров поглощения непрозрачных тел можно применять следующее расположение: лучи от мощного источника света (вольтовой дуги, лампы накаливания в 2 000—3 000 свечей) при помощи конденсора собираются на исследуемом объекте, рядом с которым помещается белая пластинка, рассеивающая все лучи в равной степени. При помощи фотография, объектива на щелях спектрофотометра получаются действительные изображения. Лучи от источника света должны падать на освещаемый предмет под возможно малым углом. Наиболее точные результаты можно получить, применяя полусферич. осветитель Гибсона. При спектрофотометрия. исследованиях в отраженном свете должно учитывать влияние на результат измерений поляризации света при отражении от исследуемого образца. Если измерения производятся по второму способу с перестановкой, то, обозначив коэфициент поляризации для лучей правого и левого полей бипризмы через а и b, вместо ф-лы (3) получают:

₁₀-E ₌ t|a₁. tg «2

Опыты показали, что для нек-рых сортов окрашенных тканей поляризация доходит до 33%. Измеренные значения всегда меньше действительных, причем поляризация в 33% вызывает ошибку в величине у около 5,5%. В случае направленного освещения поляризация может значительно увеличиваться.

Точность спектрофотометрия, измерений в первую очередь определяется разностной чувствительностью глаза, то есть отношением едва заметного прироста яркости к первоначальной яркости. Эта разностная чувствительность имеет постоянное значение для средних сил света и практически не зависит в этой области от длины волны. Разностная чувствительность (Р. ч.) сильно зависит от величины сравниваемых полей. Наиболее благоприятные условия для наблюдений представляют не слишком малые, равномерно освещенные, не имеющие видимой структуры, с возможно более тонкой, исчезающей при достижении одинаковой яркости, линией раздела, поля, которые к тому же сравниваются при оптимальном освещении. В этих условиях разностная чувствительность достигнет, предполагая разумеется достаточную опытность наблюдателя, около 0,01, то есть при благоприятных условиях мы можем различать разницы яркостей около 1%. В наилучших условиях возможная ошибка понижается до 0,3%, что на практике обыкновенно не достигается. Другим источником ошибок является свет, отраженный от оптических частей (линз, призм, николей, стенок коллиматора и зрительной трубы), от неровностей и царапин оптич. поверхностей, в присутствии которого можно убедиться, исследуя выходящий из окулярной щели свет карманным спектроскопом прямого зрения. В физиологически наиболее светлых лучах спектра, примерно от 500 до 620 Ύϊΐμ, этот посторонний свет не вредит, но вне этих границ, в особенности в фиолетовой части спектра, присутствие его может привести к систематическим ошибкам. Для уничтожения этого источника ошибок применяют особые диафрагмы внутри оптич. системы и специальные светофильтры, задерживающие посторонний свет. В спектродензографе (смотрите) он устранен тем, что на щели спектрофотометрич. части прибора свет падает уже разложенным на цвета. Как сказано выше, величину у можно измерить с точностью ок. 1%, что соответствует ошибке ок. 0,004 в величине Е=In у. При абсолютном значении Е ок. 1 ошибка в благоприятном случае достигает 0,4%, при Е ок. 0,1—до 4% ит. д. Т. к. на практике ошибок в определении у обычно больше 1%, мы должны как правило считаться с еще большей ошибкой в определении Е. Далее, вследствие соотношения E=kcd, ошибка, которая получается при определении концентрации на основании измерения поглощения света, зависит от абсолютной величины к. Для сравнения следует указать, что при измерениях спектров поглощения фотография, путем мы должны считаться в благоприятном случае с ошибкой в 4—5%. Для усовершенствованного метода фотография. С. сист. А. Анори получается точность приблизительно в 2%; аналогичный метод Шайбе дает для максимума кривой точность ±5%, а для ветвей кривой ±2%. Визуальную С. превосходит лишь фотоэлектрич. метод, к-рый дает точность до 0,2% (Розенберг), а при применении установки с двумя фотоэлементами и ахрома-тич. клином—до 0,1% (Хальбан), но является слишком сложным для практики.

Лит.: Спектрофотометрия и ее приложения в технике, Сборн. под ред. Н. Федорова, М.—Л. (печат.) (приведена исчерпывающая библиография); ОСТ 1996; Me. Nicholas, Equipment for Rutine Spectral Transmission and Reflection Measurements, Bur. of Stand., Journal of Research, Wsh., 1928, v. 1, p. 793—859; Martens u. Griinbaum, tlber eine Neukonstruktion des Konig-schen Spektralphotometers, «Ann. der Physik», Leipzig, 1903, Folg. 4, B. 12, p. 984—1003; GibsonK., Spectro-photometr (в книге), The Dictionary of Applied Physics, v. 4, London, 1923. ‘ н. Федоров.