08.06.2009

UKŁADY OPTOELEKTRONICZNE

TEMAT: Absorpcja promieniowania w ośrodkach przeźroczystych. Absorbancja promieniowania świetlnego. Wyznaczanie stężenia roztworów.

Wykonali:

Łukasz Liżewski

Konrad Welenc

1. Wprowadzenie

Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności A(c) poprzez pomiar absorbancji roztworów o różnym stężeniu.

Przedmiotem ćwiczenia jest kilka próbek z roztworem CuSO₄ (siarczanu miedzi) o różnym stężeniu, dla których należy zmierzyć absorbancję dla kilku długości fali promieniowania świetlnego.

Absorbancja to inaczej współczynnik absorpcji (pochłaniania) światła. Jest ona funkcją liczby cząsteczek absorbujących promieniowanie, znajdujących się na drodze promienia świetlnego. Absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu.

Prawem, które opisuje absorbancję jest Prawo Lamberta - Beera. Wiąże ono pochłanianie promienia z ilością (stężeniem) cząstek absorbujących w danej substancji. Równoległa wiązka promieniowania monochromatycznego ulega osłabieniu przy przejściu przez roztwór substancji absorbującej o współczynniku absorpcji  i stężeniu c zgodnie z równaniem:

przy czym prawo Lamberta - Beera można zapisać w postaci:

lub w postaci:

gdzie:

ε - współczynnik absorbancji (ektynkscji)

d - długość drogi optycznej

A - absorbancja

Odstępstwa od tego prawa są wynikiem oddziaływań międzycząsteczkowych w roztworach. Jeżeli roztwór badanej substancji spełnia prawo Lamberta - Beera, to zależność absorbancji od stężenia A(c) jest liniowa dla danej długości fali.

W praktyce eksperymentalnej badanie widm absorpcyjnych sprowadza się zazwyczaj do wyznaczenia natężenia i długości fali promieniowania oddziałującego z ośrodkiem.

2. Schemat aparatury pomiarowej oraz krótki opis zadań wykonanych w laboratorium.

Ćwiczenie wykonano korzystając z zestawu składającego się z:

• Źródła światła,

• Spektrografu Ocean Optics USB2000,

• światłowodu,

• komputera PC z zainstalowanym oprogramowaniem Spectra Suite

W laboratorium zestawiono układ pomiarowy składający się z wyżej wymienionych elementów w sposób przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1. Zestawienie układu doświadczalnego do pomiarów w ćwiczeniu.

Pierwszym etapem było umieszczenie w odpowiednim miejscu w obudowie źródła światła kuwetę z wodą destylowaną. Po włączeniu żarówki ustalono czas integracji (taki aby max. natężenie światła mieściło się w zakresie (3500 ÷ 4000). Prąd ciemny i widmo tła sensora CCD w spektrografie zostały uwzględnione w pomiarach poprzez zaznaczenie odpowiednich opcji w programie Spectra Suite. Pomiary natężenia światła wykonano dla pięciu roztworów (w tym czystej wody):

• PRÓBKA 1 - woda destylowana - próbka referencyjna

• PRÓBKA 2 - roztwór CuSO₄ o stężeniu 0,001 M

• PRÓBKA 3 - roztwór CuSO₄ o stężeniu 0,002 M

• PRÓBKA 4 - roztwór CuSO₄ o stężeniu 0,003 M

• PRÓBKA 5 - roztwór CuSO₄ o stężeniu nieznanym

3. Wyniki pomiarów, obliczeń oraz wykresy.

3.1. Zmierzone wartości natężenia światła I oraz wykres zależności I(λ)

dla pięciu roztworów.

Uzyskane wyniki pomiarów natężenia światła dla pięciu roztworów:

3.1. Zmierzone wartości natężenia światła I oraz wykres zależności I(c) dla

trzech długości fali dla pięciu roztworów.

Długość fali λ [nm]	550	600	650
Woda (H2O)	2220	3100	3550
Roztwór 1	1950	2525	2050
Roztwór 2	1750	2000	1210
Roztwór 3	1680	1510	425
Roztwór nieznany	1630	1280	230

3.2. Obliczone wartości absorbancji A_λ oraz wykres zależności A(c) dla

trzech długości fali dla czterech roztworów.

Długość fali λ [nm]	550	600	650
Aλ Roztwór 1	0,056318	0,0891	0,238474
Aλ Roztwór 2	0,103315	0,190332	0,467443
Aλ Roztwór 3	0,121044	0,312385	0,921839
Aλ Roztwór nieznany	0,134165	0,384152	1,188501

Wartości absorbancji obliczono wykorzystując wzór:

gdzie:

l - natężenie światła dla danej długości fali dla danego roztworu

l₀ - natężenie światła dla danej długości fali dla wody destylowanej

Za pomocą programu MS Excel wykreślono linie trendu dla każdej długości fali. Na wykresie przedstawiono równanie opisujące linie trendu.

Na podstawie absorbancji oraz równań opisujących linie trendu można obliczyć nieznane stężenie piątego roztworu. W pierwszym etapie odczytano z wykresu A_λ(c) dla 600 nm równanie prostej :

y = 103,84x + 0,0078

więc:

A_λ = 103,84c+ 0,0078

Absorbancja dla próbki o nieznanym stężeniu CuSO₄ w roztworze dla λ = 600 nm wynosi 0,38415. Przekształcając powyższy wzór oraz podstawiając wartość absorbancji otrzymano:

Powyżej przedstawioną metodą policzono stężenia dla pozostałych dwóch długości fali a wyniki zestawiono w tabeli:

Długość fali λ [nm]	550	600	650
c [M] roztworu nieznanego	0,003483	0,00377	0,00411

A więc wartość średnia stężenia roztworu w piątej próbce wynosi: c_śr=0,003789

4. Wnioski.

Na podstawie dokonanych pomiarów obliczono stężenie roztworu znajdującego się w piątej próbce, jego średnia wartość wyniosła c_śr=0,003789. W uzyskanych wynikach dla wszystkich długości fal widać istotne rozbieżności, a dla każdego przypadku obliczone stężenie powinno być jednakowe, wówczas można by uznać pomiar za wiarygodny . Rozbieżności mogą wynikać z tego, że każda z badanych próbek mogła być włożona do urządzenia pomiarowego w innej pozycji, również przypadkowe przesunięcie światłowodu mogło w znaczącym stopniu wpływać na uzyskane wyniki.

7

---