Оптические методы анализа

Лекционный материал также изложен в учебном пособии: Технические измерения и приборы. Часть 2. Приборы аналитического контроля. Методы и средства контроля геометрических и механических величин: Учебное пособие для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»/ А.Г. Колмогоров, Т.С. Воронова – Ангарск, АГТА, 2010. – 188 с. (Взять в библиотеке!). 4 Оптические методы анализа 4.1 Общие положения Оптические методы анализа (ОМА) основаны на использовании явлений взаимодействия электромагнитного излучения (света) с веществом, из которых наиболее важны испускание, поглощение и рассеяние излучения. В ОМА используются такие эффекты взаимодействия электромагнитного излучения с веществами, как интенсивность излучения возбужденных атомов, поглощение монохроматического излучения, показатель преломления света, угол вращения плоскости поляризованного луча света и др. Возникающие при этом сигналы несут качественную и количественную информацию о веществе. Частота сигнала отражает специфические свойства вещества, его природу, а интенсивность сигнала связана с количеством анализируемого соединения. Благодаря этому ОМА позволяют получать детальную информацию о составе, строении и количественном содержании исследуемых веществ. В зависимости от характера взаимодействия вещества с электромагнитным излучением среди оптических методов анализа выделяют: - абсорбционные, основанные на измерении поглощения веществом светового излучения. К ним относят колориметрию, фотоколориметрию, спектрофотометрию, атомно-абсорбционные методы; - эмиссионные, основанные на измерении интенсивности света, излучаемого веществом. К ним относят флуориметрию, эмиссионный спектральный анализ и пламенную фотометрию. Методы, основанные на взаимодействии светового излучения с суспензиями, подразделяют: - на турбидиметрию — измерение интенсивности света, поглощаемого неокрашенной суспензией; - нефелометрию — измерение интенсивности света, отраженного или рассеянного окрашенной или неокрашенной суспензией. К методам, которые базируются на явлении поляризации молекул под действием светового излучения, относят: - рефрактометрию — измерение показателя преломления; - поляриметрию — измерение угла вращения плоскости поляризации поляризованного луча света, прошедшего через оптически активную среду; - интерферометрию — измерение сдвига интерференции световых лучей при прохождении их через кюветы с раствором вещества. При описании оптических методов анализа применяются световые величины, определяемые по действию лучистой энергии на глаз, по зрительному ощущению света, которое меняется количественно и качественно в зависимости от мощности лучистой энергии и ее спектрального состава. Используются следующие физические величины: Сила света – отношение светового потока к телесному углу, в котором он распространяется. Измеряется в канделах (кд) -величина равная силе света источника излучения, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Стерадиан (ср) - равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающим на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Световой поток – мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит. Единица измерения - люмен (лм) равен световому потоку, выпускаемому точечным источником в телесном угле 1ср при силе света 1кд. Молярный коэффициент поглощения () - равен оптической плотности такого раствора, концентрация которого равна 1 г-моль (моль) в 1л при толщине поглощающего слоя 1 см. Освещенность – отношение светового потока к площади освещаемой им поверхности. Измеряется в люксах (лк) – освещенность поверхности площадью 1м2 при падающем на нее световом потоке 1лм. Мощность излучения (Вт, ватт) – энергия, передаваемая световой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Измеряется в ваттах (Вт). Интенсивность волны (Вт/м2) - равна интенсивности волны при равномерном распределении мощности излучения 1Вт на площади поперечного сечения 1 м2. Рассмотрим некоторые из оптических методов анализа, наиболее часто применяющихся в промышленности. В п. 4.2 – 4.4 рассмотрены методы анализа жидких сред и суспензий (п.4.3), в п. 4.4, 4.5 –оптические методы газового анализа. 4.2 Колориметрический метод анализа Колориметрический метод анализа основан на сравнении качественного и количественного изменений световых потоков при их прохождении через исследуемый и стандартный растворы. Различают спектрофотометрический и фотометрический методы анализа. Спектрофотометрический метод основан на измерении в строго монохроматическом потоке света (света определенной длины волны). Фотометрический метод основан на измерениях в нестрого монохроматическом пучке света. В таблице 4.1 приведен спектр солнечного (белого) цвета. Таблица 4.1 - Спектр белого цвета Цвет Длина волны, нм Инфракрасные лучи > 760,0 Красный 760-620 Оранжевый 620-585 Желтый 585-575 Желто-зеленый 575-550 Зеленый 550-510 Голубой 510-480 Синий 480-450 Фиолетовый 450-400 Ультрафиолетовые лучи < 400 При прохождении пучка белого света интенсивностью J0 через сосуд, заполненный раствором (рисунок 4.1), происходит ослабление интенсивности первоначального потока света, и выходящий поток света будет иметь интенсивность J