Файл: Толмачев, В. Н. Электронные спектры поглощения органических соединений и их измерение.pdf

Часть т р е т ь я

Измерения электронных спектров поглощения

Г Л А В А IX

ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ

АППАРАТУРЫ

§ 39. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРОВ. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В § 20 были рассмотрены' основные методы графического пред­ ставления электронных спектров поглощения. Кривые поглощения

могут быть представлены в различных координатах, например s(v), е(Х), D(k), т(Х) и др. Экспериментальным путем могут быть изме­ рены коэффициенты пропускания т или зависящие от них опти­ ческие плотности D:

проводиться при различных длинах волн, что дает возможность получить кривую поглощения вещества.

Измерение интенсивностей J или мощностей Ф световых по­ токов является основной задачей фотометрии, одного из разде­ лов физической оптики [1]. Специальным разделом фотометрии является спектрофотометрия, методы которой используются для получения спектров поглощения веществ. Для этой цели приме­ няются различные приборы, называемые спектрофотометрами.

Каждый спектрофотометр состоит из следующих основных частей (узлов):

1) источника лучистой энергии, дающего излучение в той области спектра, которая подлежит исследованию;

125

2)монохроматора, с помощью которого можно изменять длину волны луча света в требуемых пределах;

3)фотометрического устройства, включающего приемник лу­ чистой энергии, преобразующий эту энергию в легко измеряе­

мую форму.

В зависимости от агрегатного состояния исследуемого веще­ ства спектрофотометры имеют различные приспособления (дер­ жатели, кюветы- и т. д.) для введения этого вещества в луч света.

Важным является правильный выбор материалов, из кото­ рых изготавливаются части приборов, через которые проходит излучение (например, призмы, линзы, кюветы и т. д.). Они должны быть достаточно прозрачны в изучаемой области спект­ ра, устойчивы к механическим воздействиям, к действию влаги, различных растворителей и т. д.

В спектрофотомерах, предназначенных для изучения элект­ ронных спектров поглощения (ультрафиолетовая и видимая об­ ласти спектра), могут быть использованы следующие материа­ лы (в скобках — область пропускания, мкм): стекло (0,35—1,0),

кварц (0,18—3,5), флюорит (0,12—9,0), каменная соль (0,20— 17,0), сильвин (0,38—21,0), некоторые полимерные вещества.

Где это возможно, для замены пропускающей оптики ис­ пользуется отражательная (различные зеркала, дифракционные

решетки и др.).

Рассмотрим более подробно принцип работы и устройство основных типов источников излучения, используемых в спектро­ фотометрии.

Основное применение находят тепловые и газосветные ис­ точники излучения.

Втепловых источниках используется излучение твердого тела, нагретого до высокой температуры. Как известно, раска­ ленные твердые тела излучают непрерывный спектр [1]. Такие источники характеризуются общей мощностью излучения и его распределением по различным длинам волн [68, 69].

Видеальном случае излучение твердых тел подчиняется фор­

муле Планка [1, 3]:

где

Сг = 3,71 • 10~l6(Bm ■м2)-, С3 = 1,44 - 10-2(ж • °К).

Величина г\ называется спектральной плотностью энергети­ ческой светности (или энергетической светностью). Размерность — Вт ■м~2 • ж-1, т. е. она характеризует отношение поверхностной

126

мощности потока излучения (интенсивности излучения ./, Вт • м~2) к единице длины волны (м) [4, 70].

Формула Планка справедлива для абсолютно черного тела (АЧТ), излучение которого зависит только от его температуры. Распределение энергии по различным длинам волн для АЧТ определяется формулой (119). Кривые распределения для несколь­ ких температур приведены на рис. 40. С ростом температуры Т максимум смещается в сторону меньших длин волн: так, при Т = Ю00°К Хтах = 2,9 мкм (ИК-область), а при Т = 5000°К Хтах =

Формула Планка позволяет производить различные расчеты, важные для характеристики абсолютно черного тела как источ­ ника излучения [13]. Так, зная температуру Т, можно рассчи­ тать полную мощность излучателя, найти долю энергии, при­ водящуюся на данный интервал длин волн и т. д. Расчеты, например, показывают, что в интервале 400—750 нм (видимая

в видимой и ИК-областях спектра.

Излучение реальных тел (РТ) не подчиняется формуле Планка.

127

где А — коэффициент излучения, зависящий от природы тела, его температуры, характера поверхности и длины волны. При этом

А < 1.

Для некоторых тел коэффициент А не зависит от длины волны, в связи с чем кривая грт(^) подобна кривой гдчтМ Для абсолютно черного тела. Такие неселективные излучатели называются серыми телами (СТ). К ним, например, относятся пламена газов, паров углеводородов и др.

Накаленные металлы (например, вольфрам) являются избира­ тельными излучателями, для них A = f(k). Поскольку Л < 1, то, очевидно, что при этой же температуре реальные тела излучают

тело, нагретое до Та ч т — I8600 К [3].

Важной характеристикой реального тела является также его цветовая температура Тц. Это такая температура абсолютно чер­ ного тела (Гдчт), когда цвет его излучения (воспринимаемый глазом) подобен цвету излучения реального тела, нагретого до температуры ТртПри этом T4 = Тдчт > Т рт Не­

типичным тепловым источником излучения является воль­ фрамовая лампа накаливания. Телом накаливания является лента или нить, свернутая в спираль. В спектрофотометрии ис­ пользуются так называемые точечные лампы с малым телом накала. Питание ламп осуществляется стабилизированным то­ ком (постоянным или переменным). Лампы используются обыч­ но в видимой области спектра [68, 69, 71].

В качестве тепловых источников излучения применяются также штифты накаливания: штифт Нернста (стержень из окис­ лов циркония, тория и иттрия, накаленный током до 2000° К) и штифт Глобара (стержень из карбида кремния — силита, на­

Широкое применение в качестве источников излучения на­ ходят различные лампы газового разряда [68, 71].

При тлеющем разряде (в газах с низким давлением) источ­ ником излучения являются газы, излучающие линейчатые спект­ ры. Так, применяются разнообразные гейслеровские трубки, наполненные аргоном, неоном, гелием, водородом и другими газами. Трубки питаются через индукционную катушку (до

3000 В).

1 2 8