3.1. Законы поглощения света.

Закон Ламберта. Относительное количество поглощенного пропускающей средой света не зависит от интенсивности падающего излучения; все последующие слои среды поглощают равные доли проходящего через них света. Математически этот закон выражается так:

I₀ – интенсивность падающего света;

I – интенсивность пропущенного света;

l – толщина поглощающего слоя (см);

К – постоянная (коэффициент погашения по Бунзену и Роско). Очевидно, что в постоянную К не входит концентрация поглощающего вещества. Влияние концентрации учитывается другим важным законом - законом Бера: поглощение света пропорционально числу молекул вещества, через которое проходит свет. Таким образом, если поглощающее вещество растворено в полностью прозрачном растворителе, поглощение раствора будет пропорционально его молярной концентрации.

Подстановка величины εС (ε – молярный коэффициент экстинкции (погашения) (л*моль/см) и С – концентрация, выраженная в грамм-молях на литр) вместо К в приведенном выше уравнении для закона Ламберта приводит к соотношению

На этом выражении, объединяющем законы Ламберта и Бера, основывается большинство применений спектрофотометрии в химических исследованиях. Для удобства величину lg(I₀/I) обозначают символом А (абсорбционное отношение). В отечественной литературе приняты термины «экстинкция» (погашение) (Е) или «оптическая плотность» (D).

Из закона Бера следует, что если при изменении концентрации раствора и толщины поглощающего слоя произведение этих величин остается постоянным, интенсивность поглощения раствора также должна быть постоянной.

При применении абсорбционной спектрофотометрии считается обязательным проверять справедливость закона Бера для каждого вещества. Для большей части неионизированных органических соединений закон Бера выполняется по крайней мере приближенно. Если раствор или растворитель очень сильно поглощают, немонохроматическое излучение может составить значительную долю от общего светового потока, попадающего на детектор. Такие трудности особенно существенны в дальней УФ области спектра, вблизи полос поглощения атмосферного кислорода; поэтому необходимо либо вакуумировать спектрометр, либо продувать его прозрачным в этой области газом, например азотом [12].

Если концентрация выражена в граммах на 1 л, то соответствующее значение ε называют удельным коэффициентом погашения. Если в г-молях , то молярным коэффициентом погашения. ε зависит от природы поглощающего вещества, длины волны света, от температуры и не зависит от растворителя. Коэффициент экстинкции для конкретного вещества – это величина характеризующая эффективность поглощения света; чем труднее свет проходит через раствор, тем выше коэффициент экстинкции [11].

3.2. Приборы и методы измерений.

Фотографические методы. Спеккер-фотометр. В этом приборе источник света, обычно искра между электродами из вольфрамовой стали или водородная лампа, установлен непосредстенно на фотометре. Пучок света расщепляется на два луча одинаковой интенсивности, которые затем проходят через оптически идентичные кюветы, одна из которых содержит исследуемый раствор, а другая чистый растворитель. Количество света, прошедшего через кювету сравнения, регулируется при помощи микрометрического винта, уменьшающего площадь одного из отверстий, через которое свет попадает на фотометр. Микрометрический винт связан с указателем, перемещающимся вдоль спиральной прорези в барабане, отградуированном непосредственно в значениях оптической плотности от 0,1 до 2,0. При этом отношение I₀/I представляет также отношение площадей отверстий в пучке сравнения и в пучке, проходящем через раствор, соответственно. Получающиеся спектры фотографируют друг под другом и затем, рассматривая пары спектров, для точек равного почернения строят графики зависимости оптической плотности от длины волны. Спектрографические методы измерения спектров поглощения дают возможность сразу оценить весь фотографируемый спектральный интервал и в этом отношении имеют некоторое преимущество перед фотоэлектрическими методами. Это особенно важно при спектральных исследованиях неустойчивых промежуточных продуктов.

Рис.1. Оптическая схема спеккер-фотометра.

1-источник света; 2- кварцевые ромбы; 3 – линзы; 4- отверстия фотометра; 5- барабан для установки меньшей аппаратуры (пучок сравнения); 6 – абсорбционные кюветы; 7 – линзы; 8- кварцевые ромбы.

[12].

Фотоэлектрические методы. Недостатки этого метода: они требуют большой затраты времени и применения дорогих фотоматериалов; кроме того, регистрация интенсивностей на фотопластинке дает невысокую точность результатов, не превышающую, по-видимому, ±2%, а суммарная ошибка фотографических методов может быть >4%. Однако современные фотоэлектрические приборы значительно более удобны в обращении, являются быстродействующими и позволяют измерять оптическую плотность с точностью до ±0,2%. Благодаря этому фотоэлектрические методы стали широко применяться в спектрофотометрии. В отличие от фотографических спектрофотометров с регистрацией на фотопластинке современные фотоэлектрические приборы имеют один или несколько фотоэлементов или фотоумножителей с чувствительностью обеспечивающей регистрацию всего исследуемого спектрального интервала. Фотоэлектрические спектрофотометры особенно удобны для количественных измерений интенсивности при данной длине волны.

Рис.2. Оптическая схема спектрофотометров (СФ-4, СФД-2, СФ-5):

1- источник излучения; 2-зеркало конденсатор; 3-плоское зеркало; 4-щель монохроматора; 5-зеркальный объектив; 6-кварцевая диспергирующая призма или дифракционная решетка; 7-кювета; 8-линза; 9-фотоэлемент.

Световой пучок от источника света попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой или призмой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через кювету, попадает на фотоэлемент, который преобразовывает световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Монохроматоры. Монохроматор – это оптическая система, выделяющая из всего спектра источника света излучение определенной длины волны. Это обычно призмы, по-разному преломляющие свет разных длин волн, или дифракционные решетки. В видимой области используются обычные стеклянные призмы, но в ультрафиолетовой области они не годятся, поскольку стекло начинает поглощать уже при λ < 400 нм, поэтому призмы делают из кварца.

В качестве монохроматоров применяются также дифракционные решетки, которые представляют собой плоскопараллельную пластину с нанесенными на ней параллельными линиями – бороздками. Белый свет из-за дифракции на параллельных бороздках разлагается на непрерывный спектр. Обычно в монохроматорах сначала выделяют пучок света с определенным диапазоном длин волн с помощью призмы, а затем разлагают его еще раз решеткой. Так получают строго монохроматический свет. Основное достоинство дифракционных решеток состоит в том, что можно увеличивать их разрешающую способность, поскольку она прямо пропорциональна плотности линий. Кроме того, во всем диапазоне длин волн дифракционные решетки имеют линейное разрешение, тогда как разрешение призменного монохроматора с увеличением длины волны уменьшается.

Кюветы. Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворе и помещают в оптически прозрачный сосуд для измерений – кювету. Поскольку стекло поглощает ультрафиолетовый свет, для проведения измерений в ультрафиолетовой области спектра используют кварцевые кюветы. Для измерений в видимой области можно использовать пластиковые или стеклянные кюветы. При работе с летучими или химически активными веществами кюветы закрывают крышками.

Поскольку кювета, помещенная в спектрофотометр, становится составной частью его оптической системы, с ней нужно обращаться очень аккуратно. Царапины и грязь на стенках кюветы сильно рассеивают и поглощают свет, искажая результаты измерений. Об этом особенно надо помнить при работе в ультрафиолетовой области. Кюветы можно протирать мягкими тканями, например, из хлопка. Не рекомендуется использовать для этих целей фильтровальную бумагу. Поскольку органические молекулы поглощают в ультрафиолетовой области, ни в коем случае нельзя касаться оптических (прозрачных) стенок кюветы. Раствор лучше заливать в кювету, поставив ее в предварительно вынутый из прибора кюветодержатель. Кюветы довольно хрупки, особенно кварцевые, поэтому работать с ними надо осторожно, не допуская механических повреждений.

Содержимое кюветы должно быть гомогенным – это необходимое условие получения воспроизводимых данных. Нужно следить за тем, чтобы раствор не был мутным. Особенно мешают измерениям пузырьки воздуха, сильно увеличивающие рассеяние. Нельзя наливать в кювету очень холодный раствор, поскольку при этом на наружных стенках кюветы конденсируются пары воды воздуха, и стенки становятся непрозрачными.

Если кюветы загрязнены посторонними примесями, их следует промыть дистиллированной водой и (или) растворителем, в котором растворено исследуемое вещество. Кюветы можно мыть мягкими детергентами. Не рекомендуется мыть кюветы концентрированными кислотами или щелочами, а также другими травящими агентами.

Кюветы нужно заполнять до такого уровня, чтобы поток излучения проходил целиком через слой раствора. Чаще всего используются кюветы с оптическим путем 1 см, в которые обычно заливают 2,5–3 мл раствора. В такие кюветы входит 4–5 мл, но заполняют их полностью лишь в том случае, когда это необходимо. Есть кюветы с оптическим путем 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 10,0 см.

Фотоэлементы. Фотоэлементы преобразовывают световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Фотоны, бомбардируя поверхность фотоэлемента, выбивают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности света. Эти электроны летят к положительному электроду. В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток, который регистрируется по падению напряжения на сопротивлении, находящемся в этой цепи. Напряжение можно усилить, и после компенсации такого сигнала потенциометром, отградуированном в единицах поглощения, на датчике регистрируется непосредственно поглощение образца.

Фотоумножители обычно более чувствительны, чем простые фотоэлементы. Это происходит из-за того, что электроны, вылетевшие из фоточувствительного слоя, ускоряются высоким напряжением, а из-за соударений в газе возникают вторичные электроны, что и приводит к возрастанию тока

Ширина щели. От размера щели зависит диапазон длин волн света, падающего на образец. Поэтому для получения надежных результатов надо работать при минимально узкой для данных условий эксперимента щели. Если щель выбрана правильно, то при изменении ее размеров вдвое показания прибора не меняются.

Обычно нулевое значение поглощения устанавливают щелью, но в хороших спектрофотометрах это делают, изменяя напряжение фотоэлемента. Такая регулировка позволяет работать при постоянной ширине щели. [11]

Принципиальная схема спектрофотометра представлена на рисунке 3. Свет разлагается на составляющие его длины волн с помощью одинарного монохроматора. Затем в фотометре расщепляется на два луча, один из которых проходит через кювету сравнения, а другой – кювету, содержащую раствор излучаемого вещества. Затем прошедшие через обе кюветы лучи автоматически сравниваются регистрируются в виде спектра.

Рис. 3. Принципиальная схема спектрофотометра.