Какие значения может принимать оптическая плотность

20. Оптическая плотность. Фотоколориметры

Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей.

 — коэффициент поглощения (экстинкции) светового потока. Зависит от природы вещества и длины волны света.

С – концентрация вещества в растворе в м/л.

l – толщина слоя светопоглощающего раствора.

Оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества в растворе и толщине слоя раствора. Другими словами, при определённой толщине слоя раствора, оптическая плотность будет тем больше, чем больше концентрация вещества в растворе. Отсюда следует, что, определяя оптическую плотность раствора, можно напрямую определять концентрацию вещества в растворе. При помощи современной техники оптическая плотность может быть измерена очень точно. Увеличивая толщину слоя l можно измерять очень малые концентрации веществ.

Фотоколориметр — оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше в них концентрация с окрашивающего вещества. В отличие от спектрофотометра, измерения ведутся в луче не монохроматического, а в полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром. Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора. В отличие от спектрофотометров, фотоколориметры просты, недороги и при этом обеспечивают точность, достаточную для многих применений.

Колориметры разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектрические) — фотоколориметры. В визуальных колориметрах свет, проходящий через измеряемый раствор, освещает одну часть поля зрения, в то время как на другую часть падает свет, прошедший через раствор того же вещества, концентрация которого известна. Изменяя толщину l слоя одного из сравниваемых растворов или интенсивность I светового потока, наблюдатель добивается, чтобы цветовые тона двух частей поля зрения были неотличимы на глаз, после чего по известным соотношениям между l, I и с может быть определена концентрация исследуемого раствора.

Фотоэлектрические колориметры (фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители, фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды. Сила фототока приемников определяется интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Помимо фотоэлектрического колориметра (фотоколориметра) с непосредственным отсчетом силы тока, распространены компенсационные колориметры, в которых разность сигналов, соответствующих стандартному и измеряемому растворам, сводится к нулю (компенсируется) электрическим или оптическим компенсатором (например, клином фотометрическим); отсчет в этом случае снимается со шкалы компенсатора. Компенсация позволяет свести к минимуму влияние условий измерений (температуры, нестабильности свойств элементов колориметра) на их точность. Показания колориметра не дают сразу значений концентрации исследуемого вещества в растворе — для перехода к ним используют градуировочные графики, полученные при измерении растворов с известными концентрациями.

Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от рода вещества составляют от 10 −3 до 10 −8 моль/л.

21.Схема ФЕКа , который основан на сопоставлении 2-х световых потоков ,где Л-лампа , З-зеркала ,Сф-светофильтры, К-конденсаторы, А- кювета с контролируемым раствором, Ф1 и Ф2-фотоэлементы,ЭУ-электронный усилитель, ИН-индикатор нуля, ОК-оптический клин.

Принцип работы: световой поток от лампы Л разделяется на 2 потока и отражаясь от зеркал З попадает на одинаковые фотоэлементы Ф1 и Ф2.Поток,который идет через верхний световой канал проходит через светофильтр Сф, конденсата К и оптический клин ОК, а поток света ,который идет через нижний световой канал проходит через нижний светофильтр Сф конденсата К и кюветы А, которая заполнена контролируемым веществом. Фотоприёмники Ф1 и Ф2 соединяются встречно и в их контур включается электронный усилитель ЭУ. Меняя положения ОК (оптический клин) добиваются равенства световых потоков в обоих каналах. Тогда оба канала выдадут одинаковые фототоки и сигнал расбаланса на входе в электронный усилитель станет равен нулю, и индикатор ИН покажет ноль. После выставления показания прибора на ноль, т.е. уравновесили схему, помещаем кювету А с контролируемым раствором в прибор, в следствии изменения равенства световых потоков возникнет разбаланс, который подастся на электронный усилитель. Для того ,чтобы уровнять световые потоки необходимо перемещать ОК до тех пор, пока не перестанет подаваться сигнал расбаланса на усилитель, т.е. выровняются фототоки и стрелка, которая соединена с оптическим клином не покажет действующее значение концентрации раствора, размещенного в кювете А.

22. Рефрактометры предназначены для определения показателя преломления исследуемого вещества, на основе которого делается вывод о его составе, наличии примесей, определяется процентный состав растворенных сухих веществ. Данные приборы предназначены для изучения неагрессивных жидкостей средней вязкости и твердых тел.

Рефрактометры применяются в химической промышленности,

пищевой промышленности , для анализа продуктов и сырья, в медицине и ветеринарии; в фармацевтической промышленности для исследования водных растворов лекарственных препаратов, а также во многих других отраслях производства.

Обычно показатели преломления жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять линии спектра в «белом» свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 -10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения показателей преломления газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 -7) определения разностей показателей преломления растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.

Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации показателей преломления в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.

Рефрактометрия, выполняющаяся с помощью рефрактометров, является одним из распространённых методов идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

23.

1— осветитель; 2— коллиматор; 3 — кювета; 4, 5 — призмы; 6 — фотоэлементы.

Кювета состоит из двух камер, разделенных прозрачной перегородкой, одна из которых заполне­на эталонным раствором заданной концентрации, а другая — контролируемым раствором. При равенстве показателей преломления эталонной п и контролируемой п’ жидкостей луч света проходит через обе камеры без отклонений, а при изменении кон­центрации контролируемой среды, показатель п» изменяется и луч света отклоняется. Отклонение луча тем больше, чем заметнее различие между концентрациями эталонной и контролируемой жидкостей. Конструкция дифференциальной кюветы обеспечива­ет температурную компенсацию, т. е. равенство температур, при которых находятся обе жидкости.

24. При измерении масс-спектрометрами используют основной физический параметр вещества — массу молекулы или атома. Это позволяет определять состав вещества независимо от его хи­мических и физических свойств. Преимущество масс-спектрометрическего метода — быстрый и полный анализ многокомпонентных газовых смесей. При этом для анализа требуются ничтожно малые количества вещества. ‘

В условиях глубокого вакуума молекулы или атомы анализи­руемого вещества ионизируются с образованием положительно заряженных ионов. Ионы, получившие ускорение в электрическом поле, разделяются по своим массам в магнитном поле. Сумма электрических зарядов движущихся ионов образует ионный ток. Измерение силы ионного тока, создаваемого частицами той или иной массы, позволяет судить о концентрации частиц в общем составе анализируемого вещества. В масс-спектрометре любой конструкции основной частью является масс-анализатор, в котором происходят ионизация, формирование ионного луча, разделение его на составляющие ионные лучи, соответствующие строго оп­ределенным массам, и последовательное раздельное собирание ионных лучей на коллекторе. Соответственно указанным процес­сам масс-анализатор любого масс-спектрометра состоит из источ­ника ионов, собственно анализатора и приемника ионов.

По конфигурации и взаимной ориентации магнитных и электри­ческих полей, а также по характеру изменения этих полей во вре­мени масс-спектрометры делятся на четыре группы:.с разделением ионов в однородном магнитном поле; с разделением ионов в не­однородном магнитном поле; с разделением ионов по времени пролета; радиочастотные.

Преимущественное применение получили масс-спектрометры с разделением ионов в однородном магнитном поле и по времени пролета.

8.4.1 Основные законы светопоглощения. Оптическая плотность.

Поглощающие свойства среды описываются такими характеристиками, как:

• интенсивность прошедшего светового потока I,
• относительная интенсивность или пропускание Т = , где — интенсивность исходного светового потока;
• мольный коэффициент светопоглощения ( )
• оптическая плотность или абсорбционность (D или А).

Под оптической плотностью (абсорбционностью) понимают показатель относительной интенсивности света, который рассчитывается по формуле (8.8)

А = — log T или А = — log (8.8)

Экспериментальное изучение поглощающих свойств среды показало, что он напрямую зависит от толщины поглощающего слоя l, молярной концентрации центров поглощения (центров окраски) С и индивидуальных свойств самого вещества, которые характеризует мольный коэффициент светопоглощения . Мольным коэффициентом светопоглощения называют оптическую плотность вещества с концентрацией 1моль/л при толщине поглощающего слоя l = 1см.

Опытным путем было установлено, что поглощающие свойства среды для данной длины волны прямо пропорциональны толщине слоя и концентрации вещества. Эти закономерности в классической оптике известны как законы светопоглощения (1-й и 2-й законы фотометрии).

1-й закон фотометрии. Каждый тонкий слой постоянной толщины внутри однородной среды поглощает одинаковую долю падающего на него светового потока.

2-й закон фотометрии. Доля светового потока, поглощенная данным тонким слоем внутри однородной среды, пропорциональна числу светопоглощающих частиц в единице объема, т.е. концентрации центров поглощения.

Эти законы впервые сформулированы в 1729 г. физиком П. Бугером применительно к поглощению света атмосферой и цветными стеклами. Позднее, в 1760 г., И. Ламберт дал математическую интерпретацию, а в 1852 г. А. Бер и Ф. Бернард независимо друг от друга подтвердили их справедливость для окрашенных растворов, выведя объединенный закон, который получил название «Основного закона светопоглощения Бугера – Ламберта – Бера – Бернарда» или закона Бугера – Ламберта – Бера:

где I — интенсивность монохроматического излучения, прошедшего сквозь слой вещества толщиной l (см) и — интенсивность исходного излучения, С — молярная концентрация центров поглощения (моль/л) и ( ) — мольный коэффициент светопоглощения при данной длине волны.

Согласно основному закону светопоглощения, интенсивность монохроматического излучения, прошедшего через однородный поглощающий слой уменьшается по экспоненциальному закону. Существует несколько вариантов его формулировок. Так, с учетом определения оптической плотности, получаем:

А = — log = (8.10)

Исходя из закона Бугера – Ламберта– Бера, можно сформулировать следствия, характеризующие основные свойства оптической плотности.

Следствие 1. Оптическая плотность среды при постоянной толщине слоя для монохроматического излучения прямо пропорциональна концентрации вещества

Следствие 2. Оптическая плотность среды при постоянной концентрации веществ для монохроматического излучения прямо пропорциональна толщине поглощающего слоя.

Следствие 3 или закон аддитивности (основное свойство оптической плотности).

Оптическая плотность среды равна сумме оптических плотностей всех ее компонентов.

А = = (8.11)

где А – оптическая плотность среды при данной длине волны; — оптическая плотность отдельного компонента, например, растворителя.

Следствие 4. Различие оптических плотностей веществ, при равных значениях толщины слоя и концентрации, определяется поглощающими свойствами самих веществ (их мольными коэффициентами светопоглощения).

8.4.2 Измерение поглощения света.

При прохождении белого света через окрашенные среды (растворы, полимерные материалы, пленки или стекла) меняются его свойства. Если концентрация вещества мала, то наблюдается только изменение цветности луча и интенсивности излучения (поглощение света). Чтобы оценить влияние свойств поглощающей среды на характер излучения необходимо:

во-первых – определить, как взаимосвязаны между собой концентрация поглощающих центров и изменение интенсивности светового потока;

во-вторых – какова зависимость изменения интенсивности света при постоянных свойствах среды от длины волны излучения;

в-третьих – с помощью каких оптических параметров и как можно охарактеризовать поглощающие свойства среды.

Для решения этих задач применяются различные модели устройств, позволяющих измерять оптическую плотность среды в монохроматическом свете – фотоколориметры и спектрофотометры. По конструкции они бывают однолучевыми (например, электроколориметр КФК; спектрофотометр СФ-46) и двухлучевыми с автокомпенсацией поглощения растворителя (ФЭК — фотоэлектроколориметр). Внешний вид этих приборов представлен на рисунках 8.32 – 8.34. Для получения монохроматического излучения в ФЭКах применяют специальные устройства, называемые светофильтрами. Под светофильтром понимают стеклянное или пластиковое приспособление с высоким избирательным пропусканием, которое позволяет выделять узкую область видимого спектра. В спектрофотометрах для этой цели применяют более точные устройства, называемые монохроматорами. В монохроматорах с помощью призм или дифракционных решеток белое излучение разлагается в непрерывный спектр, из которого щелью вырезается узкий монохроматический участок спектра.

Рисунок 8.32. Внешний вид двухлучевого фотоколориметра типа ФЭК-56М.

1 и 2 – кюветы с раствором сравнения (холостая проба);

3 – кювета с анализируемым раствором; 4 и 5 – левый и правый

компенсационные барабаны со шкалами пропускания и оптической

плотности; 6 – шторка для защиты фотоэлемента от попадания света;

7 – миллиамперметр с центральным нулем для контроля компенсации

фототоков; 8 – рукоятка перемещения кювет 2 и 3.

(слева расположены также рукоятки для смены светофильтров; настройки

чувствительности и положения нуля)

Рисунок 8.33 Внешний вид однолучевого фотоколориметра типа КФК-2.

1 – микроамперметр; 2 – кюветный отсек; 3 – тумблер включения питания;

4 – рукоятка настройки чувствительности «грубо» и «точно»;

5 – переключатель фотоприемников; 6 – ручка смены кювет;

7 – переключатель светофильтров для выбора рабочего диапазона;

8 – источник освещения (лампы).

Рисунок 8.34. Внешний вид однолучевого спектрофотометра СФ-46

1 – блок монохроматора; 2 – микропроцессорная система (МПС); 3 – кюветное

отделение; 4 – рычаг для смены источника излучения; 5 – блок осветителей;

6 – рукоятка смены фотоэлементов; 7 – камера с фотоприемниками;

8 – рукоятка компенсации темнового тока; 9 – переключатель шторок;

10 – рукоятка перемещения каретки с кюветами; 11 – переключатель щели;

12 – индикаторная лампа; 13 – рукоятка установки длин волн;

14 – шкала для отсчета длин волн.

Оптическая плотность

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ — мера непрозрачности к.-л. среды (напр., бумаги, пленки, оттиска на бумаге, фотоотпечатка), равная десятичному логарифму отношения падающего на среду потока излучения к потоку, прошедшему через эту среду, или, что то же, логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания среды τ: D = lg (l/τ).

СанПиН 1.2.1253—03 установили показатели О. п. для следующих случаев.

При печати текста на цветном, сером фоне, участках многокрасочных иллюстраций О. п. фона должна быть не более 0,3.

При печати черной краской интервал оптических плотностей элементов изображения текста и бумаги в издании должна быть не менее 0,7. Оценка соответствия этим требованиям проводится на 10 характерных страницах в каждом из трех экземпляров издания, а оценка интервала О. п. — на двух страницах каждой тетради по специально отпечатанным контрольным плашкам. Методику оценки см. в ст. Контрольные плашки. Результат считают отрицательным для одного экземпляра издания при значении оптической плотности менее 0,7 для изданий объемом не более двух тетрадей при нарушении требований хотя бы на одной из контролируемых страниц, для изданий объемом более двух тетрадей при нарушении требований на 30% контролируемых страниц. Допускается отклонение от нормативных требований к О. п. фона не более чем на 10%. Если несоответствие норме выявлено хотя бы в одном из трех контролируемых экземпляров, то результат оценки считается отрицательным.

О. п. фона для выворотки шрифта не менее 0,4.

ОСТ 29.127—96 требует, чтобы в книжных изданиях для детей, которые печатаются черной краской, интервал О. п. печатающих элементов текста и бумаги также был не менее 0,7.

Для контроля за соблюдением этой нормы стандарт предусматривает печать на нижнем поле первых двух страниц каждой тетради издания (на лице и обороте) на расстоянии не менее 30 мм от корешкового сгиба контрольных плашек в виде круга (квадрата) диаметром (стороной) не менее 5 мм.

Издательский словарь-справочник. — М.: ОЛМА-Пресс . Мильчин А.Э. . 2003 .

• Медиевальные шрифты
• Полиграфические материалы

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ

(D), мера непрозрачности слоя в-ва толщиной l для световых лучей; характеризует ослабление оптического излучения в слоях разл. в-в (красителях, светофильтрах, р-рах, газах и т. п.). Для неотражающего слоя О. п. равна: D = lgI0/I=kll, где I — интенсивность излучения, прошедшего поглощающую среду; /о — интенсивность излучения, падающего на поглощающую среду; kl — поглощения показатель среды для излучения с длиной волны l, связанный с уд. показателем поглощения cl, в Бугера — Ламберта — Вера законе соотношением kl= 2,303 cl,. О. п. может быть определена и как логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту t слоя в-ва: D=lg(1/t). Введение О. п. удобно при вычислениях, т. к. она меняется на неск. единиц, тогда как величина I0/I может для разл. образцов и на разл. участках спектра изменяться на неск. порядков. О. п. смеси нереагирующих друг с другом в-в равна сумме О. п. отд. компонентов.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ

(D) — меранепрозрачности слоя вещества толщиной l для световых лучей; характеризуетослабление оптич. излучения в слоях разл. веществ (красителях, светофильтрах,

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

• ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ КРИСТАЛЛА
• ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ