Microsoft Word Fizika umk II chast 2 ëàáîðàòîðèÿ. doc

Лабораторная работа № 12
Определение коэффициента поглощения света в жидкостях.
Цель работы: Определение показателя ослабления и получение зависимостей коэффициентов спектрального пропускания и ослабления от толщины и концентрации жидкого раствора.
Приборы и принадлежности: источник света, источник тока, дистиллированная вода, исследуемая жидкость, цифровой амперметр (тестер).
Теоретические сведения
Выберем систему координат. Поместив начало координат на лицевую, поверхность среды, направим ось «у» параллельно этой поверхности, а ось - «x» вдоль направления ' распространения света. Выделим в веществе бесконечно тонкий слой толщиной dx, очевидно, что уменьшение интенсивности света dI в слое толщиной dx будет пропорциональна величине интенсивности I падающего на этот слой света и толщине поглощающего слоя
-dI=вIdx, (10.1)
где в—коэффициент пропорциональности, не зависящий от интенсивности света. Знак минус показывает, что с увеличением толщины поглощающего слоя интенсивность прошедшего через него света уменьшается.
Для получения выражения для интенсивности света вышедшего из слоя толщиной dx мы должны интегрировать выражение (10.1) в пределах от нуля до x:
I=Io e-Р x, (10.2)


(10.3)
в=—1 ln JXL,
x I o(x)
где Io—интенсивность света падающего на поверхность среды и I - интенсивность вышедшего из слоя толщиной dx, в-коэффициент поглощения ([в]=м^-1).
Физический смысл этого закона состоит в том, что показатель поглощения не зависит от интенсивности света, и от толщины поглощенного слоя.
Поглощение света раствором пропорциональна молекулярной, концентрации растворенного вещества.


(10.4)
в=kc, где с - концентрация смеси, k - удельный коэффициент поглощения, характерный для молекулы растворенного вещества и не зависящий от концентрации. Его физический смысл состоит в том, что поглощающая способность молекулы не зависит от влияния окружающих молекул в разбавленных растворах. Учитывая (10.3) и (10.4), получим обобщенный закон Бугера - Бера.
I=Ioe^-kcx. (10.5)
Выражение (10.5) справедливо для газов и растворов весьма малой концентрации (если растворитель не является практически поглощающим), где можно пренебречь взаимным влиянием отдельных частиц среды (между атомами газа или между молекулами растворенного вещества). Исходя из (5) получим
k=~— lnI- . (10.6)
cx I o
В пределах справедливости выражения можно, пользуясь им, определить концентрацию поглощающего вещества в растворе.
Аналогичным образом для однородных веществ можно получить зависимость коэффициента поглощения от плотности р, т.е.
в=kР, (10.7)
На основании формул (10.4) и (10.7) можно получить
kc=в/c, (10.8)
и
kР=в/Р, (10.9)
Эти выражения справедливы при малых концентрациях поглощающего вещества.
Коэффициент поглощения также зависит от длины волны, т.е. поглощение носит селективный характер. Этим объясняется окрашенность в цвета поглощающих сред. Например, стекло, слабо поглощающее красные, оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые, синие и фиолетовые, при осмотре в белом свете будет окрашенным в красный свет.
Если на такое стекло направить зеленый, синий или фиолетовый свет, то из-за сильного поглощения света данной длины стекло покажется» «черным». Среду, не поглощающую свет всех длин волн в интервале видимого света, будем называть абсолютно прозрачной. В парах, где атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, зависимость коэффициента поглощения от длины волны представляется в виде совокупности узких спектральных линий, соответствующих частотам собственных колебаний электронов внутри атомов.
В молекулах, которые построены из нескольких атомов, наблюдается собственные частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекулы и вращению молекулы как целого вокруг оси. Эти три вида движения (электронные, колебательные и вращательные) квантованы, причем между соседними электронными уровнями расположен набор колебательные уровней, а между соседними колебательными уровнями набор вращательных уровней. Частоты электронных переходов соответствуют ультрафиолетовой и видимой областям спектра, частоты колебательных и вращательных переходов - ближней и дальней инфракрасной области.
В основе вывода закона Бугера лежит основной принцип линейной оптики независимость характера оптических явлений (в данном случае поглощения) от интенсивности света. Поэтому он будет верным при слабых и средних интенсивностях световых полей.
Качественно изменение коэффициента поглощения под^- действием мощного излучения можно объяснить следующим образом: за счет поглощения энергии мощного излучения часть атомов или (молекул) среды переходит в возбужденное состояние. В результате этого доля невозбужденных атомов, способных поглощать энергию внешнего излучения, уменьшается, следовательно, уменьшается поглощательная способность среды.
Такое уменьшение становится заметным при больших интенсивностях. Поэтому изменение коэффициента поглощения происходит именно в сильных световых полях.
Кроме выше рассмотренных коэффициентов для определения оптических свойств чистых химических жидкостей или смесей используются коэффициенты пропускания
A=Isxt =exp(-e x) (10.10)
I_o
и ослабления
B = 1₀ -1^(x) . (10.11)
I_o
Непосредственно в эксперименте определяются показатель ослабления и коэффициенты пропускания и ослабления для дистиллированной воды и для жидкостей с различной концентрацией растворенного вещества.