Дослідження явища дифракції світла на компакт-диску

Лабораторна робота

ДОСЛІДЖЕННЯ явища дифракції

СВІТЛА НА КОМПАКТ-ДИСКУ

Мета роботи: Поглибити уявлення про явище дифракції хвиль (обгрунтування, види прояву, умови спостереження, моделі та основи теоретичних розрахунків). Провести експериментальні спостереження і вимірювання на прикладі дифракції світлових хвиль.

Обладнання. Транспортир, лазер-брелок, освітлювач з лампою розжарювання, фрагмент компакт-диска, екран (лист з білого картону).

1. Компакт диск - дифракційна решітка

1.1. Теоретична частина.

Дзеркальна поверхня компакт-диска являє собою спіральну доріжку, крок якої співмірний з довжиною хвилі видимого світла. На такий впорядкованої і мелкоструктурной поверхні у відбитому світлі помітно проявляються дифракційні і інтерференційні явища, що і є причиною райдужної забарвлення створюваних ним відблисків.

Промінь лазера займає на компакт-диску настільки малу площу, що цю ділянку можна вважати одномірної дифракційної гратами (рис.1). Вона характеризується постійним кроком d, і умова максимумів у відбитому на ній світлі визначається за відомою формулою d sinφ _k = k l, де k - номер (порядок) максимуму, l довжина хвилі падаючого світла. Формула справедлива при нормальному падінні променя на диск. У даному випадку спостерігаються по два дифракційних максимуму з кожного боку від падаючого променя.

Малюнок 1.

1.2. Експериментальна частина

1.2.1. Експериментальна установка.

Стенд для проведення експериментальних спостережень (рисунок 3) складається з транспортира 1, на якому жорстко закріплені лазер-брелок 2 і фрагмент компакт диска 3. Дзеркальні доріжки компакт-диска, що мають форму дуг, на стенді орієнтовані близько до вертикальному напрямку. Фрагмент закріплений біля нульової точки транспортира. Брелок орієнтований так, що лазерний промінь падає перпендикулярно площині фрагмента.

Дифраговані промені потрапляють на бічні сторони транспортира, їхні кути відхилення визначаються за показаннями транспортира. Підготовка включає перевірку юстування лазера. Вона вважається нормальною, якщо відбитий промінь повертається в його вихідне вікно. Перевірити це можна по положенню плями на смужці білого паперу, розміщеної поблизу віконця.

Малюнок 3.

Оскільки дзеркальні доріжки мають дугоподібну форму, то дифраговані промені не лежать строго в площині транспортира і тому для їх спостереження також слід користуватися білим екраном, поміщаючи його поблизу шкали і орієнтуючи перпендикулярно площині транспортира. Натиснувши на кнопку вмикача лазера перевірте точність установки його корпусу і поспостерігайте інтерференційні максимуми ліворуч і праворуч від осі приладу.

1.2.2. Методика і результати вимірів.

Включивши лазер, виміряйте кути дифракції для максимумів першого і другого порядку. Виконайте це спочатку по лівій (α ₁ і α _2), а потім - по правій (α ₃ та α ₄₎ частин шкали транспортира. Результати занесіть у таблицю. Обчисліть середні значення кутів φ ₁ = (α ₁ + α ₃₎ / 2 і φ ₂ = (α ₄ + α ₂₎ / _2.

Довжина хвилі світла, випромінюваного лазером (приведена на його корпусі), займає діапазон 620-680 нм. Для розрахунків можна скористатися середнім значенням довжини хвилі λ = 650 нм = 0.65 мкм.

Завдання 1. За отриманими значеннями кутів дифракції визначте період d дифракційної структури дзеркальної поверхні компакт-диска.

Оцініть похибку методу та запишіть отриманий результат із зазначенням інтервалу.

Таблиця 1. Результати спостережень дифракції світла на компакт-диску ... ... ... ....

	Кут відхилення α, град	Середнє значення φ, град	Період дифракційної структури, d, мкм	Середнє значення періоду мкм	Відносна похибка вимірювання %	Абсолютна похибка вимірювання мкм
1	α 1
2	α 3
3	α 2
4	α 4

Результати вимірів:

1. Період дифракційної структури компакт-диска d = ... ... ... ± ... ... ..;

2. Уздовж радіуса диска на кожному міліметрі розміщується n = ... ... ... ± ... ... дзеркальних доріжок.

Завдання 2 (рівень УІРС). Поспостерігайте, як змінюються поперечні розміри дифракційних максимумів нульового, першого і другого порядків. Поясніть причини помічених змін. Які геометричні параметри дзеркальних доріжок можна визначити з цих спостережень.

2. Компакт-диск - зонна пластинка.

2.1. Теоретична частина.

2.1.1. Зонна пластинка. Зонна пластинка являє собою сукупність концентричних прозорих і непрозорих або дзеркальних і недзеркальних кілець (зон), радіуси яких особливим чином впорядковані ^1. Зонна пластинка поєднує в собі одночасно властивості збирає і розсіює лінз і має декілька фокусів, володіє великими значеннями хроматичної аберації. Фокусні відстані зонної пластинки розраховуються за формулою f _k = R _k ² / kλ. Оскільки крок спіральної доріжки компакт-диска постійний, то геометрична структура його дзеркальній поверхні, строго кажучи, не відповідає параметрам зонної пластинки, тим не менш, компакт диск можна представити як безперервну послідовність зонних пластинок з монотонно змінними параметрами. Але якщо на поверхні компакт-диска за допомогою спеціальної маски залишити відкритим кільцевої ділянка дуже малої ширини, то ця відкрита частина цілком задовільно демонструє властивості зонної пластинки.

2.1.2. Фокусує дію компакт-диска.

Стосовно до компакт-диска теорія дозволяє ототожнити його з одночасно з увігнутим і опуклим дзеркалами, кожне з яких також має кілька фокусів. На малюнку 4 показано, як перетвориться паралельний пучок світла, нормально падає на диск. Відбиті промені утворюють з віссю диска два дійсних фокусу, які можна спостерігати на малому екрані діаметром близько 3 см.

Малюнок 4.

При переміщенні екрану вздовж оптичної осі установки, фокуси легко виявляються, як місця з максимальною концентрацією світла. Найбільш яскравим є найдальший з них (перший фокус). Якщо на диск падає біле світло, то легко спостерігається хроматична аберація - залежність фокусної відстані від довжини хвилі. У даному випадку для червоного кольору фокуси розташовуються ближче до диску, ніж для синього.

2.2. Експериментальна частина.

Замість масок, які виділяють кільцевої фрагмент компакт диска, можна використовувати вузьконаправлений промінь лазера. При нормальному падінні на поверхню диска спостерігається нормально відбитий промінь, за яким можна перевірити, чи дійсно промінь падає на диск перпендикулярно поверхні. Чотири інших променя, які спостерігаються в відображенні, дозволяють знайти два дійсних і два - уявних фокусу.

Експериментально фокусні відстані компакт-дисків спостерігаються на установці, показаної на малюнку 5. На плоскій підставі перпендикулярно до нього жорстко укріплений компакт-диск так, що його центр розташовується над площиною підстави на висоті, приблизно рівною 1 см. Лазер-брелок закріплений на рейсшини на такій же висоті і так спрямований, що промінь падає на диск перпендикулярно його поверхні .

Малюнок 5

При переміщенні рейсшини з лазером вздовж межі підстави пляма має слідувати строго уздовж діаметра диска, а відбитий прямий промінь - повертатися у вихідне віконце лазера. Перевіривши нормальність падіння променя на диск, відзначимо хід відбитих від нього косих променів. У місцях їх перетину з геометричною віссю диска розташовуються дійсні фокуси.

2.2.1. Методика і результати вимірів.

Спостереження в монохроматичному світлі.

Перевіривши правильність юстування лазера, покладіть на підставу аркуш білого паперу (формат А4) короткою стороною впритул до диска і закріпіть його кнопками. Проведіть на ньому осьову лінію - перпендикуляр, що проходить через центр диска. Переміщуючи рейсшину, направте промінь в точку, віддалену від центру диска на відстань R ₁ і відзначте точками напрямок косих променів. У місцях їх перетину з віссю відзначте точки фокусів. Такі дії і вимірювання слід виконати не менше чотирьох разів - двічі з лівої, і двічі з правої сторони диска. При цьому точки падіння променів ліворуч і праворуч по можливості слід вибирати симетрично. Результати занесіть у таблицю 2.

Таблиця 2.

R 1 зліва, мм	F 1, мм	F 1, мм
R 2 ліворуч, мм	F 2, мм
R 1 праворуч, мм	F 1, мм	F 2, мм
R 2 праворуч, мм	F 2, мм

Завдання 2. (Рівень УІР) Виконайте додаткові виміри, побудуйте графік залежності F (R) і оцініть величину «сферичної аберації» - чисельну міру залежності фокусних відстаней від радіуса кільцевої зони диска. Α _сф = δF / δR.

Спостереження в білому світі.

Встановіть лампу розжарювання на відстані близько 2 м від дзеркальної поверхні диска так, щоб нитка розжарення перебувала на продовженні осі експериментальної установки. Вставте в напрямні пази підстави шток з екраном і, переміщаючи його уздовж осі, проведіть спостереження. Встановлюючи потім у освітлювачі світлофільтри з відомою довжиною хвилі, виміряйте відповідні їм фокусні відстані.

Таблиця 3.

Область першою фокусу. R = мм	Область другий фокусу. R = мм
λ = нм; F = мм; α сф.1-2 = мм / нм	λ = нм; F = мм; α сф.1-2 = мм / нм
λ = нм; F = мм; α сф.2-3 = мм / нм	λ = нм; F = мм; α сф.2-3 = мм / нм
λ = нм; F = мм; α сф.3-4 = мм / нм	λ = нм; F = мм; α сф.3-4 = мм / нм
λ = нм; F = мм; α сф.4-5 = мм / нм	λ = нм; F = мм; α сф.4-5 = мм / нм
λ = нм; F = мм; α сф.5-6 = мм / нм	λ = нм; F = мм; α сф.5-6 = мм / нм
λ = нм; F = мм α сф.6-1 = мм / нм	λ = нм; F = мм α сф.6-1 = мм / нм

Завдання 3. (Рівень УІР). Побудуйте графік залежності фокусної відстані від довжини хвилі і розрахуйте для кожної пари сусідніх результатів значення хроматичної аберації. Визначте кількісну міру цієї «хроматичної аберації» β _хр = δF / δλ. в області першого і другого фокусів.

Мета роботи

Поглибити уявлення про явище дифракції і поляризації світла. Освоїти техніку і методику експериментальних спостережень і вимірювань.

Введення

Процес поширення коливань у просторі називається хвилею. Як відомо, світло являє собою електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 400 - 750 нм (нанометрів). Всім хвилях, у тому числі і світловим, притаманні специфічно хвильові явища: інтерференція, дифракція та поляризація.

У результаті накладення когерентних світлових хвиль, тобто хвиль, різниця фаз яких в кожній точці простору не залежить від часу, відбувається ослаблення або посилення інтенсивності коливань у різних точках області накладення хвиль. Це явище називається інтерференцією хвиль (світла).

Дифракцією світла називається сукупність явищ, які спостерігаються при проходженні світла в середовищі з різко вираженими неоднорідностями (наприклад, при проходженні світла через отвори в непрозорих екранах, поблизу кордонів непрозорих тіл і т. д.). У більш вузькому сенсі під дифракцією розуміють явище відхилення світла в область геометричної тіні. Кут дифракції φ ≈ d / λ, тому для чіткого спостереження цього явища необхідно, щоб розміри перешкод d були порівнянні з довжиною хвилі світла λ.

Для поперечних хвиль, тобто хвиль, коливання в яких відбуваються перпендикулярно напрямку їх поширення, спостерігається ряд явищ, що мають загальну назву поляризації хвиль.

Частина I. Дифракція світла і експериментальна установка

На явищі дифракції заснований пристрій чудового оптичного приладу - дифракційної решітки. Дифракційна решітка представляє собою сукупність великої кількості дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками. Найкращим якістю володіють відбивні дифракційні решітки. Вони являють собою чергуються ділянки настільки малі, що відбиваючи світло, вони розсіюють його внаслідок дифракції. Таким чином пучок світла розбивається на безліч когерентних променів.

Якщо ширина прозорих ділянок а, а ширина непрозорих проміжків b, то величина d = a + b називається періодом решітки.

Якщо на грати нормально (перпендикулярно) до її поверхні падає світло з довжиною хвилі l те, як випливає з малюнка 1, промені, розсіяні під кутом j до первісного напрямку від відповідних місць кожної з щілин, мають різницями ходу dsin j (I і II промені), 2 dsin j (I і III промені) і т. д.

Хвилі підсилюють один одного при інтерференції, якщо ця різниця ходу дорівнює цілому числу хвиль. Кути, під якими спостерігаються максимуми, перебувають із співвідношення

, K = 0, ± 1, ± 2, ± 3 ... (1)

Максимуми спостерігаються по обидві сторони від падаючого променя, а центральний максимум (k = 0) спостерігається у напрямку падаючого променя.

Дзеркальна поверхня лазерного компакт-диска являє собою спіральну доріжку, крок якої співмірний з довжиною хвилі видимого світла. На такий впорядкованої і мелкоструктурной поверхні у відбитому світлі помітно проявляються дифракційні і інтерференційні явища, що і є причиною райдужної забарвлення створюваних ним відблисків. Промінь лазера займає на компакт-диску настільки малу площу, що цю ділянку можна вважати одномірної дифракційної гратами.

Схема приладу (прилад № 1), для спостереження дифракції світла на шматочку компакт-диска, що грає роль відбивної дифракційної решітки, представлена ​​на малюнку 2. Тут: 1 - джерело світла - лазер-брелок, укріпленої на повертається планці, 2 - відбивна дифракційна решітка - шматочок компакт-диска, 3 - затиск для кріплення препарату, 4 - транспортир для виміру кутів дифракції, 5 - транспортир для виміру кута падіння променя світла, 6 - затиск для кріплення поляроїда.

Експериментальна частина

Завдання 1. Компакт диск - дифракційна решітка. Перпендикулярне падіння світла

на решітку

Мета. За допомогою явища дифракції світла визначити число штрихів, тобто кількість доріжок на 1 мм в CD і DVD-компакт-диску. (При виконанні цього завдання використовується прилад № 1 - малюнок 2).

1. Зміцніть в затиску приладу препарат з шматочком CD-диска. Він повинен бути розташований строго перпендикулярно до напрямку променя лазера, встановленого в нульове положення.

2. Натиснувши на кнопку вмикача лазера, перевірте точність установки препарату (дифракційної решітки) та лазера. Вона вважається нормальною, якщо падаючий промінь йде строго по осі поворотної планки, а відбитий промінь повертається у вихідне віконце лазера. Перевірити це можна за допомогою листочка білого паперу, вміщеній трохи вище віконця лазера. Якщо необхідно, злегка настроїти положення лазера і препарату.

3. Включивши лазер, виміряйте кути дифракції для максимумів першого (k = 1 ) J ₁ і другого (k = 2) j _{2 порядки.} Максимуми більш високих порядків у даному досвіді не спостерігаються.

4. За отриманими значеннями кутів дифракції визначте період d дифракційної структури компакт-диска і кількість доріжок n на 1 мм

(2)

Довжина хвилі світла, випромінюваного лазером, займає діапазон 620-680 нм. Для розрахунків можна скористатися середнім значенням довжини хвилі λ = 650 нм = 0,00065 мм.

5. За результатами двох вимірювань обчисліть середнє значення числа доріжок на 1 мм на CD-диску.

6. Замініть препарат з шматочком CD-диска на препарат з шматочком DVD-диска.

7. Повторіть вимірювання та обчислення пунктів 2-4. Особливість даного досвіду полягає в тому, що навіть максимум другого порядку навряд чи вдасться спостерігати.

8. У висновку відзначте, наскільки більше, принаймні, інформації можна записати на DVD-диску, ніж СD.

Завдання 2. Компакт диск - дифракційна решітка. Похиле падіння світла

на решітку

При похилому падінні світла на дифракційну решітку дифракційна картина «розтягується», так що період дифракційної решітки визначається зі співвідношення

(3)

де q - кут падіння променів світла на решітку.

1. Встановіть в затиску препарат з шматочком CD-диска. Отюстіруйте прилад.

2. За допомогою поворотної планки встановіть кут падіння променя лазера 10 ° , А потім 20 °

Виміряйте дифракційні кути j ₁ і j ₂ у цих випадках. При цьому на екрані спостерігається нульовий максимум, який не слід включати в розрахунки.

3. За формулою (3) обчисліть період дифракційної решітки d і кількість доріжок n на 1 мм CD-диска. У висновку порівняйте результат вимірювань з результатом, отриманим у завданні 1.

Частина II. Поляризація світла і експериментальна установка

У електромагнітної світловий хвилі електричний вектор і магнітний вектор перпендикулярні один одному і напрямку поширення світлового променя, тобто світлова хвиля є поперечною.

Якщо орієнтація векторів або в будь-якій точці на промені змінюється хаотично, тобто всі напрямки цих векторів рівноправні, то світло вважається неполяризованим або природним (рис. 3. а).

Світло вважається плоско (лінійно) поляризованим, якщо при його поширенні в будь-якій заданій точці кінець векторів і описує пряму лінію. Площина, в якій розташовуються вектори і називається площиною коливань, а перпендикулярна до неї - площиною поляризації (рис. 3. б).

Світло може бути поляризований частково, тоді частка присутнього в ньому поляризованого світла оцінюється у відсотках і ступінь поляризації Р визначається за формулою:

(4)

де I _{поляризації} - Інтенсивність поляризованого світла, I _полн - повна інтенсивність світла.

Практично всі джерела світла випускають не поляризоване, тобто природне світло.

Існує кілька способів отримання плоско поляризованого світла.

1. При відображенні світла від діелектричної пластини (скло, пластмаси) спостерігається як відбитий, так і переломлений промінь (рис. 4). При цьому той і інший промінь виявляються частково поляризованими. Максимальний ступінь поляризації променів досягається при певному куті падіння, що визначається законом Брюстера

, (5)

де n - показник заломлення даного діелектрика.

2. Деякі кристали мають здатність при ламанні розділяти падаючий промінь на два промені з взаємно перпендикулярними площинами поляризації. Ці два промені носять назви: звичайний - о, незвичайний - е і характеризуються показниками заломлення n _o і n _e, причому n _o ¹ n _e. Відхиляючи один із променів у бік, можна виділити другий, тобто отримати плоско поляризоване світло. Пристрої, що діють таким чином, називаються поляризаторами (рис. 5).

3. У деяких двупреломляющих кристалів, наприклад, турмаліну, коефіцієнти поглинання світла звичайного і незвичайного променя відрізняються настільки, що вже при невеликій товщині один з них повністю гаситься, і з кристала виходить один плоско поляризоване промінь. Це явища носить назву дихроїзму. Отримані на основі цього явища платівки називаються поляроїда. Аналогічним властивістю володіють тонкі полімерні плівки, що містять однаково орієнтовані голчасті мікрокристали йодистого хініну. Поляроїдних плівки в комбінації з рідкокристалічними структурами є фізичною основою для виготовлення РК-екранів.

Якщо пропустити природний світ через поляризатор, то з нього вийде плоскополяризоване світло (рис 6). Якщо тепер цей плоскополяризоване світло пропустити ще через один поляризатор, який зазвичай називається «аналізатором», то інтенсивність минулого світла буде визначаться кутом між площинами їх поляризації.

Інтенсивність світла, що пройшов два поляризатора, прямо пропорційна квадрату косинуса кута між площинами поляризації поляризатора і аналізатора (закон Малюса)

(6)

Завдання 3. Перевірка закону Малюса

Мета. Довести, що при проходженні світла через поляризатор і аналізатор, виконується закон Малюса, тобто відношення I / I ₀ = cos ² a

1. Для виконання завдання використовується прилад № 2.

2. У комплект приладу входять два шматочки поляроїдних плівки. Накладіть одну плівку на іншу і подивіться їх на просвіт. При обертанні однієї із плівок внаслідок явища поляризації спостерігатися періодичне ослаблення і посилення прохідного світла.

3. Закріпіть щупи мультиметра в клемах приладу, використовуючи отвори в клемах. Перемикач мультиметра встановіть у положення DCA, 200m або V-, 200m - вимірювання постійної напруги.

4. Увімкніть джерело природного світла - лампочку розжарювання.

5. Встановіть покажчик повороту поляризатора в крайнє ліве положення - 0 °. Запишіть показання приладу

6. Повертаючи поляризатор на кожного разу на 10 ° від 0 ° до 180 °, записуйте мультиметра. При цьому можна вважати свідчення цілими числами (таблиця 3 звіту).

7. Знайдіть серед виміряних значень найменше I _min. Воно відповідає такому положенню положення поляризатора і аналізатора, коли кут a = 90 °. Випишіть в таблицю 4 всі значення в бік їх збільшення аж до кута a = 0 °.

8. Використовувана в приладі поляроїдних плівка не є ідеальною, тобто не поляризує світло на 100%. Це призводить до того, що навіть при схрещених положенні поляризатора і аналізатора сигнал приладу не дорівнює нулю. Тому при обробці результатів вимірювань можна спочатку відняти з усіх отриманих значень мінімальне значення: (I _{0-I min),} а потім знайти відношення (I _{0-I min)} / I _0. Причому в останньому обчисленні в якості I ₀ слід брати максимальне значення з ряду (I _{0-I min).}

9. Побудуйте графік залежності (I _{0-I min)} / I _0. Від cos ² a. Зробіть висновок про виконання закону Малюса.

Завдання 4. Перевірка закону Брюстера і визначення показника заломлення

діелектрика

Мета. Слід перевірити, що при відбитті від діелектрика світло дійсно виявляється частково поляризованим. При відображенні ж світла від провідника (металу), явище поляризації не спостерігається. При виконанні даного завдання використовується прилад № 1.

1. Вставте один шматочок поляроїдних плівки в тримач для неї.

2. Встановіть лазер у нульове положення.

3. У затиску зміцните препарат c діелектричної пластинкою (пластмасою).

4. Повільно повертаючи поворотну планку, спостерігайте на екрані за зменшенням інтенсивності відбитого променя.

5. Знайдіть і виміряйте такий кут падіння, при якому інтенсивність виявиться найменшою.

6. За виміряним куті Брюстера, обчисліть показник заломлення даної пластмаси.

7. Розрахуйте похибка вимірювання показника заломлення.

8. Замініть препарат з діелектриком на препарат з металевою пластинкою. Повторіть попередні спостереження. У висновку відзначте, чи спостерігається поляризація світла при відбитті від металу.

Мета роботи: Поглибити уявлення про взаємодію світла з речовиною; ознайомитися з елементарними уявленнями і законами поглинання світла; поспостерігати експериментально поглинання світла у твердих середовищах і в розчинах.

Обладнання: фотоелектричний колориметр, набір кювет, забарвлені полімерні плівки, концентровані розчини різних речовин, шприц.

Поглинанням (абсорбцією) світла називається явище зменшення енергії світлової хвилі при її поширенні в речовині внаслідок перетворення енергії хвилі в інші види енергії.

Поглинання світла в речовині описується законом Бугера:

, (1)

де I ₀ і I інтенсивність плоскої монохроматичної світлової хвилі на вході і виході шару поглинаючого речовини товщиною x, a - коефіцієнт поглинання, що залежить від довжини хвилі світла, хімічної природи і стану речовини.

Коефіцієнт поглинання не залежить від інтенсивності падаючого світла (закон Ламберта).

При товщині шару х = 1 / a інтенсивність світла I в порівнянні з I ₀ зменшується в е »2,72 разів. Розмірність коефіцієнта поглинання м ^-1 або см ^-1.

Коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі світла і для різних речовин різний. Наприклад, одноатомні гази і пари металів володіють близьким до нуля коефіцієнтом поглинання і лише для дуже вузьких спектральних областей спостерігаються різкі максимуми поглинання (так званий лінійчатий спектр поглинання). Коефіцієнт поглинання для металів має великі значення (10 ³ - 10 ⁵ см ^-1) і тому метали є непрозорими для світла. Коефіцієнт поглинання діелектриків зазвичай невеликий (10 ^-3 - 10 ^-5 см ^-1). Скло, прозорі полімерні плівки, рідини та розчини мають селективну (виборче) поглинання світла в певних інтервалах довжин хвиль, коли a різко зростає, і спостерігаються порівняно широкі смуги поглинання.

Для характеристики поглинання зразка використовується або коефіцієнт пропускання Т, який зазвичай вимірюється у відсотках

, (2)

або оптична щільність зразка D:

(3)

Відповідно до закону Бугера коефіцієнт пропускання експоненціально зменшується залежно від товщини зразка (шару речовини):

(4)

У той же час оптична щільність залежить від товщини зразка лінійно:

, (5)

тобто оптична щільність речовини прямо пропорційна товщині шару. Тому для оцінки поглинаючої здатності зразка застосування оптичної щільності більш зручно, ніж застосування коефіцієнта поглинання.

Для розчинів речовин в не поглинаючих розчинниках виконується закон Бера:

Монохроматичний показник поглинання розчину поглинаючої речовини в непоглинаючих розчиннику пропорційний концентрації з розчину:

, (6)

де a _{l 1} - коефіцієнт поглинання однопроцентного розчину даної речовини, с - концентрація розчину у відсотках.

Підставляючи (6) в (1) та (5), отримуємо узагальнений закон Бугера - Ламберта - Бера, що враховує як товщину шару поглинаючої речовини, так і концентрацію розчину. Цей закон може бути записаний або через інтенсивність прохідного світла, або через оптичну щільність:

(7,8)

Та обставина, що оптична щільність розчину D пропорційна концентрації з розчиненого поглинаючої речовини, лежить в основі колориметрії (від лат. Color - колір) - методу визначення концентрації розчиненого речовини по оптичній щільності розчину.

Рис. 2

У даній роботі використовується серійний фотоелектричний колориметр КФК-2. Оптична схема фотоколориметр представлена ​​на рис. 1. При визначенні концентрації розчинів у кюветноє відділення містяться дві кювети: кювету А з чистим розчинником і кювету В з розчином. Світло від джерела S (лампи розжарювання) проходить через світлофільтр СФ, довжина хвилі пропускання якого підбирається таким чином, щоб поглинання в розчині не було занадто великим або занадто малим. Пройшов через розчин або розчинник світловий пучок з допомогою напівпрозорої платівки ПЛ ділиться на дві частини: 90% минулого світла спрямовується на фотоелемент Ф-26, відбитий пучок (10%) потрапляє на фотодіод ФД-24К. У залежності від довжини хвилі світла, що виділяється світлофільтром, вибирається фотоелемент, чутливий до даної області світлових хвиль.

Кюветодержатель (рис. 2) знаходиться під кришкою в кюветного відділенні. Він являє собою платформу з ручкою, з двох сторін від якої ставляться дві однакові кювети 2 і 3. У комплекті кожного приладу є кювети різної товщини. Робоча довжина (товщина) кювет викарбувано на їх стінці поруч з рискою, що відзначає рівень її заповнення.

Схема розміщення основних вузлів фотоколориметр показана на рис. 3:

1 - показує прилад-мікроамперметр з подвійною шкалою: на верхній шкалі нанесені значення коефіцієнта пропускання Т від 0 до 100%, а на нижній - відповідні значення оптичної щільності D; 2 - блок освітлювача, 3 - перемикач світлофільтрів; 4 - ручка перемикання кювет, 5 - ручка перемикання фотоприймачів («Чутливість»); 6 - ручка "Встановлення 100% грубо »; 7 - ручка" Встановлення 100% точно », 8 - кришка кюветного відділення.

Ріc. 3

Кожен світлоприймач розрахований на три ступені посилення струму. Чутливості фотоприймачів позначені на ручці «Чутливість» номерами 1, 2, 3. Чим вище номер, тим більше чутливість фотоприймача (посилення).

Світлофільтри, виділяють певну ділянку спектра в світловому пучку, встановлюються поворотом ручки 3. Навпроти кожного фіксованого положення ручки вказана довжина хвилі пропускання світлофільтра в нанометрах (1нм = 10 ^-9 м). Довжина хвилі і ширина смуги пропускання кожного фільтра наведена в табл. 1.

Таблиця 1

Маркування на перемикачі 3 світлофільтрів	Маркування на диску всередині приладу	Довжина хвилі пропускання l, нм	Ширина смуги пропускав Dl, нм	Рекомендований фотоприймач
315 364 400 440 490 540	1 2 3 4 5 6	315 ± 5 364 ± 5 400 ± 5 440 ± 10 490 ± 10 540 ± 1 0	35 ± 15 25 ± 10 45 ± 10 40 ± 10 35 ± 10 25 ± 10	Ф - 26, маркування чорним кольором
590 670 750 870 980	7 8 9 10 11	590 ± 10 670 ± 5 750 ± 5	30 ± 10 20 ± 5 20 ± 5	ФД - 24 маркування червоним кольором
		У даному приладі не встановлено У даному приладі не встановлено

Світлофільтри в області спектра 315-540 нм марковані на ручці 3 чорним кольором. Фотоприймачем в цій області служить фотоелемент Ф-26. Ручка 5 "Чутливість" в таких вимірах також повинна знаходитися на поділках чорного кольору.

Світлофільтри в області спектра 590-980 нм марковані на ручці 3 червоним кольором. Світлоприймач тут - фотодіод ФД-24К. Ручка 5 повинна бути на поділках червоного кольору.

Двох світлофільтрів з довжиною хвилі пропускання (870 і 980 нм - інфрачервона область (ІК) - область) в приладі немає. Відповідні отвори заглушені пробками. Коли перемикач 3 коштує в положенні "870" або "980", світловий потік перекритий, стрілка приладу 1 йде в положення Т = 0.

На фотоколориметр замість заводського стрілочного приладу може бути встановлений цифровий мультиметр, включений для вимірювання постійної напруги. У цьому випадку можна не встановлювати певну початкову I _0, а для обчислення T і D завжди користуватися формулами (2) і (3). Більш того, вимірювання можна проводити на будь-якому фотоелементі і при будь-якому посиленні тобто ручки 5, 6, 7 можуть перебувати в довільному положенні.

У даній роботі фотоколориметр використовується для трьох видів досліджень:

• Вивчення залежності поглинання світла пофарбованого скла і (або) полімерної плівки від довжини хвилі. Ця залежність являє собою спектр поглинання плівки.

• Вивчення закону Бугера - перевірка прямої пропорційної залежності оптичної щільності речовини (полімерної плівки) від її товщини.

• Вивчення закону Бера - перевірки прямий пропорційної залежності оптичної щільності розчину від його концентрації.

Завдання до лабораторної роботи

Огляньте колориметр. Вивчіть призначення його ручок.

Відкрийте кришку кюветного відділення. Огляньте кюветноє відділення. Ліворуч і праворуч видно вікна для проходження світлового пучка. Праве вікно при відкритій кришці автоматично закривається платівкою для захисту фотоелемента від засвічення.

Підключіть прилад до мережі. На задній стінці з лівого боку колориметра дозволите мережевий тумблер. У блоці освітлювача повинна спалахнути лампа. (Поруч з мережевим може розташовуватися також тумблер для регулювання яскравості світіння лампи). Якщо праворуч від кювет вставити вертикально аркуш білого паперу, то на аркуші з'являється кругле забарвлене пляма. Колір його змінюється в залежності від положення перемикача світлофільтрів.

Завдання 1. Вивчення залежності поглинання світла від довжини хвилі

В якості поглинаючого зразка тут використовується одна чи дві пофарбовані прозорі плівки з набору, виданого для проведення дослідів. Плівки повинні бути добре протерті від сторонніх забруднень.

1. З набору кювет візьміть дві однакові кювети товщиною »3 мм. Встановіть їх в кюветодержатель. В одну з кювет вставте досліджувану плівку (чи плівки). Закрийте кришку кюветодержатель.

2. Ручкою 4 переведіть кюветодержатель в положення, коли світловий пучок проходить через порожню кювету.

3. Почніть з першого світлофільтру 315 нм, який вводиться в світловий пучок ручкою 3.

4. Ступінчасто збільшуючи чутливість ручкою спочатку ручкою 5, а потім ручками 6, 7 виведіть стрілку приладу на 100%. Якщо це не вдається зробити, просто запишіть показання приладу I ₀ при максимальній чутливості.

5. Ручкою 4 переведіть кюветодержатель в положення, коду світло проходить через кювету з плівками. Стрілка приладу покаже зменшення інтенсивності світла.

6. Якщо спочатку вдалося встановити стрілку на 100% пропускання, то наступне показання по верхній шкалі відразу дає коефіцієнт пропускання Т, а показання по нижній шкалі - оптичну густину зразка D на даній довжині хвилі. Якщо спочатку стрілка не встановлюється на 100%, то коефіцієнт пропускання, а потім і оптичну щільність необхідно обчислити за формулами (2) і (3).

7. Аналогічні вимірювання проведіть для інших довжин хвиль, які дають даними набором світлофільтрів (п. п. 3-6). Дані вимірювань занесіть в таблицю 1 звіту.

8. Побудуйте графік залежності оптичної щільності полімерної плівки від довжини хвилі світла. При цьому експериментальні точки з'єднайте плавною лінією. Графік являє собою перебільшений спектр поглинання плівки.

9. У висновку відзначте, на яких довжинах хвиль зразок найсильніше поглинає світло, а на яких найменше.

Завдання 2. Вивчення залежності поглинання світла від товщини зразка

В якості поглинаючих зразків тут використовуються кілька шматочків пофарбованої прозорої плівки. Випробування найкраще проводити на довжині хвилі, зазначеної на плівці.

1. Проведіть вимірювання коефіцієнта пропускання і оптичної щільності спочатку для одного шматочка плівки.

2. Потім збільшіть товщину зразка, додавши до першого шматочку плівки ще один. Далі продовжуйте збільшувати товщину зразка, довівши його до 8-9 шматочків плівки.

3. За результатом досвіду слід побудувати графіки залежностей коефіцієнта пропускання Т і оптичної щільності D плівки від його товщини. Оскільки товщини шматочків плівки однакові, то по горизонтальній осі можна відкладати просто їх число.

4. Графік Т = f (l) повинен мати вигляд експоненти, а графік D = f (l) повинен бути прямолінійним. Якщо це дійсно так, то можна зробити висновок про виконання закону Бугера.

Завдання 3. Вивчення залежності поглинання світла від концентрації розчину

Як розчиняються речовин в роботі використовується поширені сполуки: марганцівка, мідний купорос, діохромат калій і т. п.

Вивчіть пристрій кюветодержатель. Розгляньте кювети, знайдіть на них ризику, що вказує рівень розчину, і значення робочої довжини.

Для того щоб уникнути складної процедури приготування розчинів різної концентрації, в роботі використовується наступний прийом: концентрація змінюється ступінчасто шляхом послідовного додавання в чисту воду 1, 2, 3 і т. д. однакових крапель концентрованого розчину обраного речовини. Для дозування однакового розміру крапель можна використовувати піпетку, крапельницю або шприц.

1. За вказівкою викладача виберіть досліджувану речовину. Спочатку потренуйтеся в умінні капати зі шприца або крапельниці окремими і однаковими краплями.

2. Виберіть дві однакові кювети середньої товщини. Рекомендується вибрати кювети товщиною »30 мм. Заповніть їх до рисок чистою водою. Ще раз протріть їх торцеві поверхні і, не торкаючись їх пальцями, вставте кювети в кюветодержатель.

3. Для вимірювань виберіть світлофільтр, на якому оптична щільність розчину має середнє значення. На посудинах з розчинами зазначена рекомендована довжина хвилі світла.

4. За кюветі з чистою водою (ручка 4 вліво до упору) встановіть стрілку на ділення Т = 100%.

5. Обережно переведіть ручку 4 вправо до упору. Відкрийте кришку кюветодержатель. До робочої кювету капніть одну краплю концентрованого розчину речовини. Ретельно перемішайте розчин голкою шприца або скляною паличкою. Закрийте кришку кюветного відділення. Запишіть значення коефіцієнта пропускання Т і оптичної щільності D цього розчину.

6. Аналогічні вимірювання следуеіт провести при поступовому збільшенні концентрації розчину, додаванням 2, 3, 4 і т.д. крапель. Необхідно отримати 6-8 точок, але при цьому не бажано проводити вимірювання, коли оптична щільність розчину стає слешком великий. Перед кожним новим виміром слід встановлювати прилад на Т = 100% по чистій воді. Щоб поліпшити умови проведення досвіду можна за один раз капати не по одній, а по дві чи навіть по три краплі.

7. Якщо вимірювання не вдалися, все слід почати спочатку, слив розчин і прополоскавши робочу кювету.

8. Побудуйте залежність оптичної щільності розчину від числа крапель (точний перерахунок концентрації кожного розчину в даному досвіді не виробляють).

9. Якщо графік має прямолінійний вигляд, то можна зробити висновок про виконання закону Бера.

Після завершення вимірювання наведені робоче місце в порядок: вимкніть колориметр, злийте використані розчини, сполосніть і протріть кювети, промийте шпіріц, протріть кюветноє відділення приладу.