Визначення спектрів поглинання

Звіт до лабораторної роботи з курсу фізичної електроніки на тему визначення спектрів поглинання Виконав Филь Юрій Київ 2011

Мета: отримання спектрів поглинання речовин та визначення домішок у речовині. Визначення компонентів речовини після впливу плазми на досліджувану рідину за допомогою даних, отриманих одразу після експерименту, та через 10 годин після впливу плазми на речовину.

Теоретична частина Типи розрядів Опишемо вольт-амперну характеристику розряду у проміжку, пов’язавши її із прикладеною напругою і опором зовнішнього кола зображеного нижче.

Мал.1 Електрична схема розряду постійного струму Мал.2 ВАХ електричного розряду постійного струму При деякому опорі R будемо піднімати напругу на джерелі. Оскільки у газі існують електрони та іоні, що утворюються зовнішнім радіоактивним випромінюванням, при збільшенні напруги струм у колі буде рости за рахунок їх дрейфу до електродів (ділянка АВ). При подальшому збільшенні напруги усі заряди збираються на електродах, виникає насичення (ділянка BC). Ці два режими несамостійного розряду характеризуються відсутністю підсилення та малими струмами. При подальшому збільшенні напруги починається генерація лавин (ділянка CE). Поблизу точки E поле у проміжку починає спотворюватися просторовим розрядом, через що розряд переходить у стримерний режим який веде до переходу до самостійного (ділянка EF). Ділянка AE носить назву «темний розряд», оскільки газ майже не світиться. Практично вся напруга джерела на цій ділянці прикладена до розрядного проміжку. При досягненні підсилення, що дорівнює одиниці, розряд стає самостійним і не потребує для підтримування зовнішнього іонізатора. Струм у проміжку росте, опір проміжку стає порівняним із опором зовнішнього кола R, тому напруга на проміжку падає. Подальший рух по вісі струму можна робити піднімаючи напругу джерела, або зменшуючи опір резистора. В результаті спочатку виникає «нормальний жевріючий розряд» з майже постійною напругою в широкому діапазоні струмів (ділянка FG), але починаючи з деякого значення струму напруга починає зростати. Цю ділянку характеристики називають «аномальним жевріючим розрядом» (ділянка GH). В точці H напруга знову падає і починається спочатку нетермічний дуговий розряд (ділянка IJ), а потім — термічний (ділянка JK)

Інтенсивність світла Проходячи через шар речовини інтенсивність світла спадає за певним законом. Якщо уявляти промінь як потік частинок, поглинання яких відбувається із певною вірогідністю на певних центрах поглинання можна стверджувати, що кількість поглинутого світла dI шаром товщиною dx пропорційна товщині шару, інтенсивності світла I, концентрації центрів поглинання c та певному коефіцієнту k, що має назву коефіцієнта поглинання, тобто:. Тоді законом зміни інтенсивності світла із довжиною пробігу буде спадна експонента, цей закон отримав назву закону Ламберта-Бера. Слід враховувати, що під інтенсивністю мається на увазі інтенсивність світла одразу після входу у середовище, а під — інтенсивність біля самого виходу із середовища. За необхідності можна врахувати втрати світла під час віддзеркалень на границях середовища, тоді формула отримає вигляд. Оскільки при дослідженнях спектрів поглинання товщина шару досліджуваної речовини зазвичай не змінюється, а визначення абсолютних значень інтенсивності світла є досить складною задачею на практиці користуються формулою величина D зветься оптичною щільністю середовища.

Залежність коефіцієнта поглинання речовини від довжини хвилі є індивідуальною для кожної речовини і визначається енергетичними рівнями хімічних зв’язків. Це дає змогу проводити аналіз хімічного складу речовини за допомогою спектру поглинання останньої. Інформативна частина спектру поглинання речовини зазвичай лежить у досить широкому діапазоні довжин хвиль, що починається із мікрохвильового та закінчується ультрафіолетовим діапазоном. Це призводить до виникнення досить великих складнощів через необхідність створення дуже широкосмугових джерел та приймачів випромінювання.

Енергії хімічних зв’язків багатьох речовин не перевищують одиниць кеВ. Енергії частинок у електричному розряді можна легко зробити набагато більшими за десятки кеВ, тож більшість хімічних речовин легко руйнується у середовищі розряду з утворенням високоактивних радикалів. При цьому радикал, що має досить велику енергію, при зіткненні із нейтральними молекулами може призводити рекомбінації останніх. Таким чином, радикали утворені у середовищі розряду можуть запускати каскади хімічних реакцій, призводячи до утворення широкого спектру речовин.

Характеристики ліній поглинання Основним об'єктом дослідження в атомній спектроскопії являються лінійні спектри.

Лінію поглинання зазвичай характеризують рядом експериментально визначених величин. Якщо світловий потік Ф₀(v) падає на однорідний поглинаючий шар товщиною l, то потік що з нього виходить Ф_l(v) буде ослаблений в e^kv^l раз:

Ф_l(v)= Ф₀(v)exp (-k_vl) (1) (закон Бугера-Ламберта) Якщо шар неоднорідний, то замість добутку k_vl в показнику експоненти з’явиться інтеграл ?₀^l k_v(x)dx

Цю величину називають оптичною товщиною шару. Величина k_v називається коефіцієнтом поглинання. Його розмірність [L]^-1. Коефіцієнт поглинання зазвичай вимірюється в обернених сантиметрах (см^-1). Згідно формули (1):

k_v= 1/l log Ф₀(v)/ Фl (v) (2)

Хід роботи спектр поглинання речовина

1. В плазмово-рідинній системі було оброблено розчин дистильованої води з додаванням фенолу (концентрація фенолу в дистильованій воді 1 до 100).

2. Досліджувалась рідина одразу після обробки та через 10 годин з метою визначення процесів старіння розчину.

3. За допомогою спектрометра був виміряний спектр еталонного джерела, що проходить через дистильовану воду та через досліджуваний розчин.

Мал.1 Інтенсивність проходження сигналу через дистильовану воду, через розчин та через 10 годин після обробки розчину

4. Використовуючи формулу (2) будуємо спектр поглинання для заданого розчину. Вибираємо діапазон, у якому найменша кількість шумів. Отримуємо наступний результат (мал.2)

Мал.2 Спектр поглинання речовини до та після обробки з визначеними домішками які в ньому присутні

5. З отриманого спектру визначаємо домішки, що присутні у розчині. Це фенол (C₆H₅OH) та перекис водню (H₂O₂).

Висновки: при виконанні даної лабораторної роботи було отримано навики у визначенні спектру поглинання заданої речовини. Були визначені речовини, що впливали на поглинання речовиною світла. В результаті ми визначили що домішками є фенол та перекис водню.