Основной закон светопоглощения кратко
Обновлено: 07.07.2024
Все спектральные методы анализа основаны на использовании различных явлений, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.
Классификация методов спектрального анализа:
І. В зависимости от того, что определяют (или с чем взаимодействует свет):
Атомный – устанавливает, какие элементы входят в состав анализируемой пробы и определяет концентрацию элементов в пробе.
Молекулярный спектральный анализ устанавливает природу индивидуального соединения, расшифровывает структуру молекулы, идентифицирует и определяет индивидуальные компоненты смеси.
ІІ. В зависимости от вида электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого веществом, спектральные методы делят:
Классификация методов спектрального анализа
| Длина волны | Вид электромагнит-ного излучения | Взаимодействие с веществом | Метод анализа |
| 10 –4 –10 –2 нм | γ - излучение | возбуждение ядер | активационный анализ |
| 10 –2 -10 нм | рентгеновское излучение (X-ray) | возбуждение внутренних электронов | рентгеновская спектроскопия |
| 100-400 нм | ультрафиолет | возбуждение валентных электронов | атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия |
| 400-760 нм | видимое излучение | возбуждение валентных электронов | атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия |
| 760 нм-1000 мкм | ИК-излучение | колебания молекул | ИК-спектроскопия |
| 0,1-100 см | микроволны | вращение молекул, магнитные дипольные переходы | ЭПР-спектроскопия |
| 1-1000 см | радиоволны | магнитные дипольные переходы | ЯМР-спектроскопия |
ІІІ. Методы анализа по спектрам поглощения называют абсорбционными. Методы анализа по спектрам испускания – эмиссионными или флуоресцентными.
Спектрофотометрический метод анализа
Спектрофотометрический метод относится к молекулярным абсорбционным методам.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения веществами.
Спектроскопию в видимой и УФ-областях традиционно называют спектрофотометрией. Энергия фотонов в этих областях спектра достаточна для переходов электронов в молекуле с одного энергетического уровня на другой.
Фотометрические методы разработаны для определения практически всех элементов.
При мониторинге окружающей среды этим методом проводят определение микроэлементов в почвах, водах, живых организмах, растениях.
Определение пигментов в моче, крови (порфирин, урохром, уробилин) в клинических лабораториях проводят фотометрическим методом. Желчный пигмент билирубин извлекают спиртом и определяют фотометрическим методом после обработки диазореактивом Эрлиха (сульфаниловая кислота). Содержание железа в крови (гемоглобин) оценивают фотометрически по интенсивности красной окраски комплекса железа с о-фенантролином.
Количественно поглощение системой излучения описывается законами
Бугера – Ламберта – Бера и аддитивности.
Основной закон светопоглощения (закон Бугера – Ламберта – Бера)
Закон связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя.
Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель
Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:
где I и I0 – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:
Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:
или A = εlc,
где ε – молярный коэффициент поглощения;
l – толщина светопоглощающего слоя;
с – концентрация раствора.
Физический смысл ε - молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см и имеет смысл чувствительности определения.
Наибольшая относительная погрешность наблюдается при очень малых и очень больших значениях оптических плотностей - оптимальные значения А 0,1- 1, минимальная ошибка измерения при Аопт=0,434.
Закон аддитивности:
поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А:
Ограничения и условия применимости закона Бугера – Ламберта – Бера:
1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы подчеркнуть это ограничение, в выражение закона вводят индексы:
2. Коэффициент ε зависит от показателя преломления среды. Изменение показателя преломления в высококонцентрированных растворах может явиться причиной отклонений от основного закона светопоглощения.
3. Температура при измерениях должна оставаться постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов.
4. Пучок света должен быть параллельным.
5. Прямолинейная зависимость оптической плотности от концентрации соблюдается только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частицы лишь одного сорта. Например, при разбавлении раствора дихромата калия происходит не просто уменьшение концентрации иона дихромата, а протекают процессы химического взаимодействия:
Вместо дихромат-ионов в растворе появляются гидрохромат- и хромат-ионы. Так как и различны, зависимость оптической плотности от общей концентрации хрома в растворе не будет линейной.
6. Интенсивность рассеянного света, возникающего в оптической системе прибора, должна быть сведена до минимума за счет ограничений при изменении ширины щели в разных участках спектра.
Блок-схема прибора для спектрофотометрического метода анализа
Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один и более высокий, чаще всего на первый возбужденный уровень. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьшается и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.
Закон Бугера – Ламберта – Бера (основной закон светопоглощения) связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Закон Бугера – Ламберта – Бера можно представить в виде графической зависимости оптической плотности от концентрации (см. рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Графическое изображение зависимости оптической плотности от концентрации
Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель (см. рисунок 2.2). При одинаковой толщине слоя в кюветах из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света, будет зависеть от концентрации вещества.
Рисунок 2.2 – Прохождение света через окрашенный раствор и растворитель
Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:
где I и I0 – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:
Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:
где ξ – молярный коэффициент поглощения (коэффициент экстинкции);
l – толщина светопоглощающего слоя;
С– концентрация раствора.
Физический смысл ε становится ясным, если принять l= 1 см и С= 1 моль/л, тогда А = ξ. Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.
Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое иногда называют законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света, каким – либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А:
| A = A1 +A2 + A3 +…+ An, | (2.4) |
где А1, А2, А3, …, An – оптическая плотность вещества 1, вещества 2 и т.д.
При учете уравнения (2.3) получаем:
| A = l · (ξ1C1 + ξ 2C2 + ξ 3C3 + … + ξ nCn) | (2.5) |
Оптимальные условия фотометрических определений
Выбор светофильтра
Для того, чтобы выделить лучи определенной длины волны, на пути светового потока помещают светофильтры. Светофильтры пропускают лучи лишь в определенном интервале длин волн и практически полностью поглощают лучи других длин волн. В качестве светофильтров применяют цветные стекла, пленки, окрашенные растворы.
Для каждого конкретного анализа светофильтр выбирают, исходя из спектра поглощения, таким образом, чтобы область максимального поглощения лучей исследуемым раствором и область максимального пропускания лучей светофильтром были одинаковы. При проведении анализа светофильтр подбирают экспериментально. Для этого приготавливают две пробы исследуемого раствора различной концентрации и измеряют их оптические плотности со всеми имеющимися светофильтрами. Затем для каждого светофильтра находят разность оптической плотности ∆А, соответствующую разности концентраций ∆С исследуемых проб. Тот светофильтр, для которого ∆А получается максимальной, выбирают для фотометрирования данного окрашенного раствора. Иногда используют менее точный, но более быстрый прием: выбирают светофильтр по цвету исследуемого раствора.
Таблица 2.1 – Выбор светофильтра по цвету исследуемого раствора
| Цвет раствора | Область максимального поглощения лучей раствором, нм | Цвет светофильтра |
| Желто − зеленый | 400 – 450 | Фиолетовый |
| Желтый | 450 – 480 | Синий |
| Оранжевый | 480 – 490 | Зелено − синий |
| Красный | 490 – 500 | Сине − зеленый |
| Пурпурный | 500 – 560 | Зеленый |
| Фиолетовый | 560 – 575 | Желто − зеленый |
| Синий | 575 – 590 | Желтый |
| Зелено − синий | 590 – 625 | Оранжевый |
| Сине − зеленый | 625 − 700 | Красный |
Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один и более высокий, чаще всего на первый возбужденный уровень. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьшается и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.
Закон Бугера – Ламберта – Бера (основной закон светопоглощения) связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Закон Бугера – Ламберта – Бера можно представить в виде графической зависимости оптической плотности от концентрации (см. рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Графическое изображение зависимости оптической плотности от концентрации
Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель (см. рисунок 2.2). При одинаковой толщине слоя в кюветах из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света, будет зависеть от концентрации вещества.
Рисунок 2.2 – Прохождение света через окрашенный раствор и растворитель
Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:
где I и I0 – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:
Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:
где ξ – молярный коэффициент поглощения (коэффициент экстинкции);
l – толщина светопоглощающего слоя;
С– концентрация раствора.
Физический смысл ε становится ясным, если принять l= 1 см и С= 1 моль/л, тогда А = ξ. Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.
Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое иногда называют законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света, каким – либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А:
| A = A1 +A2 + A3 +…+ An, | (2.4) |
где А1, А2, А3, …, An – оптическая плотность вещества 1, вещества 2 и т.д.
При учете уравнения (2.3) получаем:
| A = l · (ξ1C1 + ξ 2C2 + ξ 3C3 + … + ξ nCn) | (2.5) |
Оптимальные условия фотометрических определений
Выбор светофильтра
Для того, чтобы выделить лучи определенной длины волны, на пути светового потока помещают светофильтры. Светофильтры пропускают лучи лишь в определенном интервале длин волн и практически полностью поглощают лучи других длин волн. В качестве светофильтров применяют цветные стекла, пленки, окрашенные растворы.
Для каждого конкретного анализа светофильтр выбирают, исходя из спектра поглощения, таким образом, чтобы область максимального поглощения лучей исследуемым раствором и область максимального пропускания лучей светофильтром были одинаковы. При проведении анализа светофильтр подбирают экспериментально. Для этого приготавливают две пробы исследуемого раствора различной концентрации и измеряют их оптические плотности со всеми имеющимися светофильтрами. Затем для каждого светофильтра находят разность оптической плотности ∆А, соответствующую разности концентраций ∆С исследуемых проб. Тот светофильтр, для которого ∆А получается максимальной, выбирают для фотометрирования данного окрашенного раствора. Иногда используют менее точный, но более быстрый прием: выбирают светофильтр по цвету исследуемого раствора.
Таблица 2.1 – Выбор светофильтра по цвету исследуемого раствора
| Цвет раствора | Область максимального поглощения лучей раствором, нм | Цвет светофильтра |
| Желто − зеленый | 400 – 450 | Фиолетовый |
| Желтый | 450 – 480 | Синий |
| Оранжевый | 480 – 490 | Зелено − синий |
| Красный | 490 – 500 | Сине − зеленый |
| Пурпурный | 500 – 560 | Зеленый |
| Фиолетовый | 560 – 575 | Желто − зеленый |
| Синий | 575 – 590 | Желтый |
| Зелено − синий | 590 – 625 | Оранжевый |
| Сине − зеленый | 625 − 700 | Красный |
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Все спектральные методы анализа основаны на использовании различных явлений, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.
Классификация методов спектрального анализа:
І. В зависимости от того, что определяют (или с чем взаимодействует свет):
Атомный – устанавливает, какие элементы входят в состав анализируемой пробы и определяет концентрацию элементов в пробе.
Молекулярный спектральный анализ устанавливает природу индивидуального соединения, расшифровывает структуру молекулы, идентифицирует и определяет индивидуальные компоненты смеси.
ІІ. В зависимости от вида электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого веществом, спектральные методы делят:
Классификация методов спектрального анализа
| Длина волны | Вид электромагнит-ного излучения | Взаимодействие с веществом | Метод анализа |
| 10 –4 –10 –2 нм | γ - излучение | возбуждение ядер | активационный анализ |
| 10 –2 -10 нм | рентгеновское излучение (X-ray) | возбуждение внутренних электронов | рентгеновская спектроскопия |
| 100-400 нм | ультрафиолет | возбуждение валентных электронов | атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия |
| 400-760 нм | видимое излучение | возбуждение валентных электронов | атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия |
| 760 нм-1000 мкм | ИК-излучение | колебания молекул | ИК-спектроскопия |
| 0,1-100 см | микроволны | вращение молекул, магнитные дипольные переходы | ЭПР-спектроскопия |
| 1-1000 см | радиоволны | магнитные дипольные переходы | ЯМР-спектроскопия |
ІІІ. Методы анализа по спектрам поглощения называют абсорбционными. Методы анализа по спектрам испускания – эмиссионными или флуоресцентными.
Спектрофотометрический метод анализа
Спектрофотометрический метод относится к молекулярным абсорбционным методам.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения веществами.
Спектроскопию в видимой и УФ-областях традиционно называют спектрофотометрией. Энергия фотонов в этих областях спектра достаточна для переходов электронов в молекуле с одного энергетического уровня на другой.
Фотометрические методы разработаны для определения практически всех элементов.
При мониторинге окружающей среды этим методом проводят определение микроэлементов в почвах, водах, живых организмах, растениях.
Определение пигментов в моче, крови (порфирин, урохром, уробилин) в клинических лабораториях проводят фотометрическим методом. Желчный пигмент билирубин извлекают спиртом и определяют фотометрическим методом после обработки диазореактивом Эрлиха (сульфаниловая кислота). Содержание железа в крови (гемоглобин) оценивают фотометрически по интенсивности красной окраски комплекса железа с о-фенантролином.
Количественно поглощение системой излучения описывается законами
Бугера – Ламберта – Бера и аддитивности.
Основной закон светопоглощения (закон Бугера – Ламберта – Бера)
Закон связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя.
Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель
Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:
где I и I0 – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:
Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:
или A = εlc,
где ε – молярный коэффициент поглощения;
l – толщина светопоглощающего слоя;
с – концентрация раствора.
Физический смысл ε - молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см и имеет смысл чувствительности определения.
Наибольшая относительная погрешность наблюдается при очень малых и очень больших значениях оптических плотностей - оптимальные значения А 0,1- 1, минимальная ошибка измерения при Аопт=0,434.
Закон аддитивности:
поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А:
Ограничения и условия применимости закона Бугера – Ламберта – Бера:
1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы подчеркнуть это ограничение, в выражение закона вводят индексы:
2. Коэффициент ε зависит от показателя преломления среды. Изменение показателя преломления в высококонцентрированных растворах может явиться причиной отклонений от основного закона светопоглощения.
3. Температура при измерениях должна оставаться постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов.
4. Пучок света должен быть параллельным.
5. Прямолинейная зависимость оптической плотности от концентрации соблюдается только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частицы лишь одного сорта. Например, при разбавлении раствора дихромата калия происходит не просто уменьшение концентрации иона дихромата, а протекают процессы химического взаимодействия:
Вместо дихромат-ионов в растворе появляются гидрохромат- и хромат-ионы. Так как и различны, зависимость оптической плотности от общей концентрации хрома в растворе не будет линейной.
6. Интенсивность рассеянного света, возникающего в оптической системе прибора, должна быть сведена до минимума за счет ограничений при изменении ширины щели в разных участках спектра.
Блок-схема прибора для спектрофотометрического метода анализа
Основной закон светопоглощения (закон Бугера — Ламберта — Бера)
- Основной закон поглощения света (закон Бургера-Ламберта-Беллы) Атом, ион или молекула, которая поглощает квант света, находится в состоянии более высокой энергии. Обычно это переход от основного уровня невозбуждения к одному из более высоких уровней, чаще всего первого уровня возбуждения.
- Из-за поглощения излучения при прохождении через слой материала интенсивность излучения уменьшается и чем выше концентрация светопоглощающего материала. Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает уменьшение интенсивности света, проходящего через слой светопоглощающего материала, с концентрацией материала и толщиной слоя.
Чтобы учесть потери света из-за отражения и рассеяния, сравнивается интенсивность света, проходящего через тестовый раствор и растворитель (рис. 3.1). Людмила Фирмаль
При одинаковой толщине слоя кюветы из того же материала, содержащего тот же раствор, Перекладина, потери на отражение и рассеяние света примерно одинаковы для обоих лучей, а уменьшение интенсивности света зависит от концентрации материала. Снижение интенсивности света, проходящего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто коэффициентом пропускания) Т.
Т = 1 // о, Где / и / 0 — интенсивность света, прошедшего через раствор и растворитель соответственно. Принимая противоположный знак, логарифм T называется оптической плотностью A. _, Gr = _lg-L = u4 = A Уменьшение интенсивности света при прохождении через решение следует закону Буге-Ламберта-Бера. /=/0.1(ГЕ «, или /// o = No.-eic, или -) GT = A = elc, (3.1)
- Где е — молярный коэффициент экстинкции / — толщина светопоглощающего слоя; с — концентрация раствора. Принимая / -I см и s-1 моль / л, и принимая А-е, физический смысл е становится ясным. Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности однополярного раствора при толщине слоя 1 см. Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, имеет аддитивную природу.
Это иногда называют законом аддитивности. Согласно этому закону поглощение света веществом не зависит от присутствия других веществ в растворе. Если в растворе присутствует несколько цветных веществ, каждое из них вносит дополнительный вклад в экспериментально определенную оптическую плотность А. A = AU-M2 + … + Ak, Где A \, L2 и т. Д. — оптические плотности вещества 1 и вещества 2. такие как Учитывая уравнение (3.1): A = / (Cf G | -f-r2C2 4 ··· + ZkCk). Рисунок 3.1.
Образовательный сайт для студентов и школьников
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Читайте также: