Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра «Информационные оптико-электронные системы»
Оптические методы и приборы
для научных исследований
Лектор: доц. каф. ПР-5, к.ф.- м.н. Игорь Михайлович Колдаев.
Москва 2008
Введение
Дисциплина «Оптические методы и приборы для научных исследований» (ОМ и ПдНИ) служит связующим звеном между базовой подготовкой по предметам общей и прикладной физики и специальными дисциплинами проектирования оптико-электронных приборов. Учебная программа дисциплины составлена в соответствии с образовательным стандартом специальности 2000203.
Содержание лекций.
Рекомендуемая литература:
1. Оптико-электронные приборы для научных исследований.- Под ред. А.А.Новицкого. – М.: Машиностроение. – 1986. – 431 с.
2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий, книга 1/ под ред. В.В. Клюева/ - М: Машиностроение,1986, 488 с.
3. Фриш С.Э. Оптические методы измерений – Л.: ЛГУ, 1979.
Дополнительная литература:
4. Харт Х., Введение в измерительную технику, - М: Мир, 1999, 391 с.
5. Попечителев Е.П., Кореневский Н.А., Электрофизиологическая и фотометрическая техника, - М: Высшая школа, 2002, 470 с.
6. Демтрёдер В., Лазерная спектроскопия, - М: Наука, 1985.
7. Основы аналитической химии: Учебник для вузов. В 2 кн. Кн.2. Методы анализа. /Ю.А.Золотов и др./ - М.: Высшая школа, 2002. – 494 с.
1. Объект и предмет научного исследования; модели электромагнитного излучения
Объектом науки является объективная реальность, существующая независимо от наших представлений о ней. Объект науки познается через его свойства, которые удается определить исходя из современного уровня развития инструментов познания.
Анализируя и систематизируя свойства объекта, удается сформировать модели окружающего мира, которые и являются предметом науки. Научное исследование сводится к формированию модели объекта в рамках определенной предметной области. Оптические исследования используют параметры электромагнитного излучения оптического диапазона для получения информации об объекте.
Модели излучения
Волновая. Квантовая. Геометрическая.
E = E cos (ωt – kr + φ0) E = hν = hω Луч: угол падения α
<E02> - амплитуда E – энергия 1-го кванта высота h
p – направление поляризации N – число квантов
ω – частота колебания N·E = W α h
2. Систематизация и способы классификаций оптических методов исследований.
Научное исследование сводится к решению двух задач:
Принцип измерений – это физический закон, описывающий связь параметров состояния объектов с параметрами оптического излучения.
Методом исследования называют совокупность приемов, используемых для определения параметров объекта посредством специальной измерительной техники (приборов).
А. Классификация, основанная на виде воздействия на объект исследования:
Б. Классификация, основанная на виде регистрации информационного сигнала:
В. Классификация методов, основанная на форме информационного оптического сигнала:
Г. Классификация, основанная на физических явлениях, лежащих в основе метода измерения (важна в данной дисциплине):
Оптические методы характеризуются следующими критериями качества:
1. Чувствительность метода определяется минимальным значением физического параметра, который может быть определен данным методом.
2. Разрешающая способность метода определяется минимальным различием значений регистрируемого параметра, которое может быть зарегистрировано на фоне шумов.
3. Точность метода – это собирательная характеристика, включающая правильность и воспроизводимость получаемых результатов. Точность обычно характеризуется классом точности прибора.
4. Избирательность метода характеризует способность выявлять определенные параметры на фоне изменения других.
4. Взаимосвязь световых и энергетических параметров излучения.
Световые (фотометрические) единицы связаны с энергетическими через кривую видности, которая отображает среднестатистическую спектральную характеристику чувствительность человеческого глаза к электромагнитной энергии.
Фундаментальной единицей измерения световых характеристик является сила света - 1 кандела .
|
Энергетические параметры |
Световые параметры |
||||
|
Наименование |
Формула |
Единицы |
Наименование |
Формула |
Единицы |
|
Поток излучения |
Фе=dWe/dt |
Вт |
Световой поток |
Ф=dW/dt |
лм |
|
Энергия излучения |
Дж Вт с |
Световая энергия |
лм с тальбот |
||
|
Энергетич. сила света |
Ie =dФe /d |
Вт/ср |
Сила света |
I =dФ /d |
кд |
|
Энергетич. светимость |
Me =dФe /dSu |
Вт/м2 |
Светимость |
M =dФ /dSu |
лм/м2 |
|
Энергетич. освещенность |
Ee =dФe /dSм |
Вт/м2 |
Освещенность |
E =dФ /dSм |
лк=лм/м2 |
|
Энергетич. яркость |
Be =Ie /S |
Вт/м2 ср |
Яркость |
B =I /S |
кд/м2 = стильб |
|
Энергетич. экспозиция |
Дж/м2 |
Световая экспозиция |
лк с |
||
|
Спектральная плотность потока |
Феλ=dФe /dλ |
Вт/мкм |
Здесь Sθ - видимая площадь излучающей поверхности.
Коэффициент спектрального восприятия световой энергии Kλ = Фv/Фе
Относительная спектральная эффективность зрения Vλ = Кλ / Кλm.
5. Способы измерения основных фотометрических параметров
Светомерный шар
4
1 – источник излучения, 2 –фотометрический шар; 3 – диафрагма, 4 – экран, исключающий прямое попадание лучей на приёмник, 5 – приемник излучения.
Сигнал определяется выражением:
Vф = φ Sv Ф.
Очевидно:
Ф / Фэт = (∫Фλ Sλ отн dλ / ∫Фλ dλ) / (∫Фλ эт Sλ отн dλ/ ∫Фλ эт dλ )
Если спектры эталона и объекта различаются не значимо, выражение можно представить в упрощенной форме:
Ф = Фэт(Vф /Vф эт)
Освещенность измеряется косвенным методом, учитывающим результаты измерения потока Ф и площади приемника
Рпр: E= Ф/Рпр,
откуда следует
Еи = Еэт (Vи/Vэт).
Компенсационный метод: регулируется площадь входной диафрагмы, чтобы уравновесить разницу сигналов:
Vэт = Sv Фэ = Sv Еэт Рэт;
Поэтому
Vи = Sv Еи Ри
Тогда
Еи = Еэт (Ри/Рэт).
5. Способы измерения силы света удаленного источника
При исследовании объекта возможны два случая:
1) Расстояние l известно, тогда для измерения силы света можно использовать формулу
I = Е l².
Воспользуемся методом отношений:
I = Еэт l² (Vи/ Vэт),
2) Определить lx невозможно (для удаленного источника).
В этом случае измеряется освещенность в двух точках, которые удаленны друг от друга на известное расстояние.
Возьмем приращение расстояния: δl = l1 – l2
Схема измерения.
Е1 Е2
Е1 – освещенность точки, удаленная на расстояние lx
Е2 – освещенность удаленной точки,
δl
Решая систему уравнений:
I = Е2 (lx + δl) ²
I = Е1lx²
Получим:
Яркость источника [Кд/м2]:
Для измерения яркости в схему измерения силы света добавляют диафрагму, контролирующую площадь источника излучения - P.
Схема измерения яркости содержит: 1-объект, 2 - диафрагма, 3 – приемник.
1
3
2 Находим ,
где Sθ - видимая площадь излучающей поверхности.
6. Определение погрешностей косвенных фотометрических измерений
На практике нередко отсутствует метод или техника для непосредственного измерения искомой величины. В этом случае используют измерения других величин, связанных с искомой известной зависимостью. Такое измерение называется косвенным.
Таким образом, при косвенном оптическом измерении, искомая величина связана известной функциональной зависимостью с регистрируемыми параметрами излучения:
Y=φ(хi),
где Y- величина; которую следует определить в результате измерений,
хi- регистрируемый прибором параметр.
В ходе косвенного измерения по зависимости Y=f(Xi) определяются выборочные значения наблюдаемых параметров хi и, соответственно, случайные погрешности определения этих параметров σi.
Чтобы определить погрешность нахождения искомой величины, необходимо провести ряд преобразований.
В вариационном вычислении доказывается, что дисперсия величины связана с дисперсией величин через частные производные по соответствующим переменным.
Поэтому погрешность косвенного измерения:
7. Способы сравнения оптических параметров объекта с эталоном
Проведем систематизацию методов сравнения величин с эталонными значениями.
Способы сравнения фотометрических величин с эталонными.
прямые косвенные
Непосредственное опосредованное сравнение с эталоном
сравнение с эталоном
(метод отклонений)
дифференциальные методы замещений метод отношений
методы
разностный компенсационный
При прямом измерении непосредственнорегистрируется измеряемый параметр X.
При косвенном измерении измеряемая величина связана известной функциональной зависимостью с регистрируемыми параметрами излучения: X=φ(хi), где X- величина; которую следует определить в результате измерений, а Хi- регистрируемый прибором параметр.
Метод отклонений (непосредственное сравнение) – измеряемая величина вызывает реакцию прибора, известную из предварительной градуировки по эталону. С учётом результатов предварительной градуировки определяются параметры объекта.
При опосредованном сравнении – сравниваются параметры объекта с параметрами эталона, посредством различных технических средств. Основной вариант опосредованного сравнения– это дифференциальный метод.
В дифференциальном методе измеряемая величина сравнивается с эталоном. Выявляется различие параметров объекта и эталона. Такое сравнение возможно двумя путями: разностное или компенсационное.
Разностный метод:
* Фэт. Фэт. 4
П.И Фэт ∆Ф
1 Фх
* Фх Фх 5 t
2. 3 Т
Схема дифференциально-разностного фотометра содержит: 1 – источника излучения 2 – оптическая система; 3 – модулятор – прерыватель; 4 – фотоприемник; 5 – контур связи для синхронизации сигнала и положения модулятора.
Разностный сигнал: ΔФ=Фэт – Фх , откуда следует ΔU=SvΔФ, поэтому Фх= Фэт- ΔФ, Следовательно ΔФ=ΔU/ Sv, в результате Фх= Фэт-( U/ Sv).
Дифференциальный компенсационный оптический метод сравнения с эталоном.
7 6
5
Фэт
* Фэт.
Фх Сигнал составит: Фх=Косл Фэт
П.И.
1 * 2 Фх 3 4
Схема дифференциального компенсационного метода содержит:
1 – источника излучения; 2 – оптическая система, которая фокусирует изображение источника на фотоприемник (4); 3 – модулятор – прерыватель, поочередно прерывающий сигнал от эталона или от источника; 5 – компенсатор, ослабляющий поток;6 – обратная связь, регулирующая степень компенсации; 7 – регистрирующий элемент.
Метод замещения. Состоит в замещении эталона на исследуемый образец для выявления расхождений их параметров. Фэт на Фх. Например – фотометрический шар.
Метод отношений исходит из отношения параметров образца и эталона: Фх/Фэт=к. Тогда искомый параметр находится по формуле: Фх=к∙Фэт.
8. Фотоплетизмография в исследованиях медико-биологических объектов
Для глубокого и всестороннего изучения свойств объектов фотометрическими методами целесообразно рассматривать физические явления взаимодействия оптического излучения со средой.
Однако, в ряде практически важных случаев, фотометрические исследования дают важные сведения об объекте, опираясь лишь на долю экранированной оптической энергии.
Примером такого метода служит фотоплетизмография.
Схема прибора фотоплетизмографии.
2 3 ∆Р 4
1
*
Очевидно
Откуда ,
где δV – изменение сигнала фотоприемника,
Временная диаграмма фото сигнала позволяет определять частоту изменения размеров.
V
δV
V
Т
t
9. Классификация активных фотометрических методов исследования окружающей среды
Ф = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 (11.1)
здесь Ф1 – доля прошедшего излучения,
Ф Ф2 - доля отраженного излучения,
Ф3 - доля рассеянного излучения,
Ф4 – доля поглощенного излучения.
Методы фотометрии строятся на анализе энергетических параметров оптического сигнала.
10. Концентрационная колориметрия в исследованиях веществ
Принцип концентрационной колориметрии построен на зависимости спектрального показателя поглощения (как и коэффициента пропускания) от концентрации поглощающего вещества.
Колориметрические исследования проводятся на специальных приборах, в том числе отечественного производства – фотоэлектрических колориметрах серии ФК.
Условия корректности концентрационной колориметрии следующие:
Однородные среды (например, растворы) рассеянием которых можно пренебречь.
Чтобы избежать люминесцентных явлений:
λ>ch/E,
Чтобы нейтрализовать величину отражения, целесообразны методы сравнения с эталоном, имеющим такое же отражение что и объект.
Коэффициент пропускания определяется формулой
τλ= Ф/ Ф0
Для растворов справедлив закон Бугера -Ламберта-Бера:
Ф=Ф0e-cεl
где α=cε;
c – концентрация вещества[моль/л], ε – молярный показатель поглощения, который зависит от рода вещества [л/моль*м]; l – толщина образца.
11. Оптическая плотность, ее аддитивность.
Оптическая плотность среды – D:
D= lg τλ-1 = lg (Ф0 / Ф),
Демонстрация метода концентрационной колориметрии проводится ниже
l
Если l – толщина образца, то
Ф=Ф0e-cεl ,
откуда
Докажем свойство аддитивности оптической плотности.
Рассмотрим последовательное прохождение света через две среды.
D1 D2
Проведем очевидные выкладки. Ф2= (Ф0 10-D1) 10-D2 = Ф0 10-(D1+D2).
Откуда следует: D=D1+D2.
Это доказывает аддитивность оптической плотности.
12. Спектрофотометрический анализ многокомпонентных систем; оксигемометрия
Спектрофотометрический метод
Базируется на уравнениях Фирордта:
Dλ1= D1λ1 +D2λ1 = c1ε’1λ1l+ c2 ε’2λ1l
Dλ2= D1λ2 +D2λ2 = c1ε’1λ2l+ c2ε’2λ2l
Решая систему уравнений, получаем:
;
13. Оксигемометрия
Оксигемометрия – метод определения насыщения крови кислородом: насыщенная (О) и ненасыщенная (Г) форма гемоглобина имеют различные характеристики показателей поглощения α. При λ1 показатели совпадают и равны ε1, поэтому
Dλ1= С ε1 ℓ;
где С =Сº + С(Г).
При λ2:
ε’ºλ2≡εº и ε’Гλ2≡εГ.
Тогда исходные уравнения выглядят так:
Dλ1 = ε1 (Сº+С(Г))ℓ
Dλ2 = Dºλ2+ D(Г)λ2 = (Сºεº+ С(Г)εГ) ℓ
Решая систему, найдем:
;
Структурная схема прибора оксигемометрии приведена далее.
4а 6а
3а λ1
1
3б λ2 5 7
4б 6б
2
1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – входные диафрагмы; 4 – светофильтры, пропускающие соответственно λ1 и λ2; 5 – исследуемый объект; 6 – фотоприемники; 7 – блок электронной обработки сигнала.
14. Комбинированные методы: фото-калориметрия, методы термо - оптической и оптико - акустической спектроскопии.
Доля поглощенной энергии:
За счет поглощенной оптической энергии объект нагревается:
∆Т = Ф t/ с m,
где ∆Т – изменение температуры объекта;
с – удельная теплоемкость материала;
t - длительность оптического импульса,
m- масса образца.
Подставив (48.1) в (48.2), применяя закон Бугера, получим:
Температура может быть измерена методом термооптического отклонения луча.
Схема измерения методом термооптического отклонения луча включает:
1 – образец;
2 – индуцирующий источник излучения;
3 – зондирующий лазер;
4 – координатно-чувствительный фотоприемник.
Луч зондирующего лазера (3), меняет свое направление в тепловом поле, что является сигналом о количестве поглощенной энергии.
Метод оптико – акустической спектроскопии основан на анализе спектра акустических колебаний, обусловленных переменным давлением в газе или жидкости, нагреваемых переменным излучением.
В предположении без инерционного нагрева изменение температуры:
.
Это явление является причиной звуковых колебаний.
Схема оптико – акустического анализатора.
Современные оптико – акустические газоанализаторы с мощными лазерами позволяют регистрировать содержание компонент до 10-6 от совокупного объема смеси.
15. Систематизация и классификация приборов фотометрии; визуальный фотометр
Под фотометрией, в широком смысле слова, понимают раздел оптики, изучающей энергетические и световые характеристики и параметры излучения в процессах его распространения от источника до приемника излучения.
Фотометрические приборы можно подразделить по методу наблюдений на 2 группы:
Если определяются спектральные зависимости параметров пропускания, приборы относят к группе спектрофотометров. Фотометрические приборы, измеряющие параметры излучения на фиксированных длинах волн, относят к колориметрам.
По способу регистрации оптического сигнала приборы подразделяются на группы:
Итак, широко используется следующая номенклатура фотометрических приборов.
Импульсные фотометры (например, ФМ-89) – приборы, применяющие импульсное освещение объекта. Благодаря высокой оптической энергии удается исследовать среды с большой оптической плотностью.
Фотоколориметры – приборы для измерения концентрации растворов, работающие преимущественно в видимой области спектра. Примером служит фотоэлектрические колориметры серии ФКМ (например, ФКМ-2). Схема измерения реализует дифференциальный метод сравнения с эталоном.
Колориметр-нефелометры (например, ФЭК) – приборы для измерения концентрации взвешенных частиц по величине ослабленного рассеянием потока излучения.
Спектрофотометры (например, СФ-26) осуществляют спектральные исследования в непрерывном спектре заданного интервала. Обычно измеряют оптическую плотность среды или коэффициент пропускания.
Характерным примером визуального фотометра является фотометр Люмера-Бродхуна (рис.18.1).
При визуальной регистрации определяет ослабления интегрального светового потока:
Источники света Фэт и Ф расположены с двух сторон от фотометра 1. Излучение через диафрагмы 7а и 7б поступает на зеркальные системы 2 и 3, отражаясь достигает призмы 4, части призмы 4 прилегают к основанию друг друга, а поверхность касания разделена. Одна половина получает свет от лампы Фэт, а вторая от Ф.
Излучение попадает на окуляр 5, в поле зрения разделено на две половины.
Определяемая оптическая плотность:
Dv=∫ КλDλdλ=с l ∫ ελ Кλ dλ (18.2)
где Dλ = с l ελ.
16. Фотэлектрические фотометры, фотоколориметы.
Схема фотоколориметра компенсационного типа.
2а 3а 4а 5а Фэт 7а 8а
1 9 10
11
Фобр
7б 8б
2б 3б 4б 5б 6
а- опорный канал,
б- измерительный канал;
1- источник излучения; 2а и 2б – зеркала; 3а и 3б - линзовые системы, 4а и 4б - оптические светофильтры; 5а – эталон; 5б – образец; 6 - оптический клин - компенсатор; 7а и 7б – диафрагмы (их размер можно регулировать); 8а и 8б – зеркала; 9- двухсекционный фотоприемник; 10 – блок обработки сигнала; 11 – винт регулировочный.
Сравнение с эталоном основано на выравнивании потоков излучения посредством специального элемента – компенсатора.
Определяемая оптическая плотность образца:
Dобр = Dэт - ∆D (19)
где ∆D –оптическая плотность клина, обеспечивающая компенсацию потоков.
Дифференциальный разностный фотоколориметр измеряет разностный спектр поглощения: ∆Ф= Фэт – Фобр.
Схема дифференциального разностного фотоколориметра показана на рисунке; обозначения те же, что и на предыдущем рисунке, добавлен модулятор (12), компенсатор отсутствует.
2а 3а 4а 5а 7а 8а
1 12
9 10
2б 3б 4б 5б 7б 8б
Модулятор осуществляет временное разделение оптических каналы. Частота вращения модулятора f. Временная диаграмма оптического потока на фотоприемнике приводится ниже.
Фо
Фэт
t
Т
Очевидно: ∆D = lg(Ф0/Фэт) – lg(Ф0/Фобр) = lg(Фобр/Фэт)
Учитывая Vф = φ SvФ ,
Получаем ∆D = lg(Vф/Vэт)
Таким образом, искомая величина Dобр = Dэт - ∆D
17. Влияние отклонений от закона Бугера - Бера – Ламберта на результаты колориметрических исследований
Поглощение описывается законом Бугера: Ф = Ф0℮-αx;
Ряд явлений являются причинами отклонения от этого закона.
1. Рассеяние. Поток составит Ф= Ф0 e –α’х = Ф0 e – (α+αрас ) х ,
где α` =α+αрас – показатель совокупного ослабления.
Измерение оптической плотности будет проводится с методической погрешностью:
D’= α’ l / 2,3 = D+R
где l – длина, D – оптическая плотность образца, R – погрешность, вносимая рассеянием
2. Люминесцентное свечение связано с дополнительным излучением, меняющим наблюдаемое значение оптической плотности среды.
Dл [дБ] = 10 lg (Ф0/(Ф+Фл))
Ф0
Ф(х)
ФЛ
3. Эффект сита проявляется при
В этом случае спектр оптической плотности имеет следующий вид:
D
2 1 - суспензия эритроцитов
1 2 - идеальный раствор
λ
400нм
4. Концентрационные эффекты наблюдаются при малых концентрациях.
18. Нефелометрические методы исследований веществ и окружающей среды
Нефелометрия - это совокупность методов, основанных на регистрации рассеянного излучения.
Известно, что механизм рассеяния определяется соотношением длины волны λ и размера частиц d. Если λ >>d, (на практике: λ ≥ 10 d), то наблюдается рассеяние Релея, тогда . Если , то рассеяние носит более сложный характер и описывается общей теорией Ми.
Формула Релея для рассеиваемой мощности частицами, размеры которых значительно меньше длины волны, выглядит следующим образом:
где ФР – рассеиваемый поток излучения;
Ф0 – падающий поток; λ - длина волны освещения; V – средне-статистический объем рассеивающих частиц; N – количество частиц в единице объема (в см3), к – числовой коэффициент, для сферических диэлектрических частиц равный:
здесь β - угол между направлениями пучка рассеянного света и пучка падающего света;
l - от источника освещения до рассеивающей среды;
n1, n0 - показатели преломления рассеивающего вещества и среды.
В лабораторных исследованиях широко используются дифференциальные способы сравнения рассеивающих сред с эталонами. Пример такой схемы показан на рисунке.
Схема нефелометра дифференциальная компенсационная содержит:
1 и 2 – кюветы, 3 – экранирующие диафрагмы, 4 – источник света, 5 – спектральный светофильтр, 6 – оптическая система, 7 – фотоприемники, 8 – электроника.
Наблюдение осуществляется в направлении, перпендикулярном освещению. Так как параметры эталона известны, можно записать:
где к1 = к/λ4– определенная для данного измерения константа.
Компенсационный способ сравнения состоит в выравнивании потоков, рассеиваемого веществами, при этом справедливы очевидные соотношения:
, или ,
Задача нефелометрических измерений усложняется при исследованиях открытых рассеивающих сред, например, в метеорологии.
На рисунке показан пример схемы нефелометра для таких применений.
Типовая структура одноканального нефелометра содержит:
1 – источник освещения (обычно – лазер); 2 – объект; 3 – оптика; 4 – фотоприемник; 5 – электроника; l0 – расстояние от рассеивающего элемента объекта до нефелометра, θ – апертурный угол оптической системы.
При известном объеме рассеивающих частиц их концентрация составит:
Учитывая величину фотоответа приемника, получаем:
Выражение позволяет определять концентрацию рассеивающих частиц.
Явления, связанные с рассеянием света, также используется для установления формы и размеров частиц. Если частицы изотропны, то мощность рассеянного излучения, зависит от параметров частицы: ее размеров (точнее, соотношения ), и показателя преломления вещества частицы.
19. Турбидиметрия в исследованиях дисперсных сред
Турбидиметрия – это оптический метод исследования неоднородных (дисперсных) сред, основанный на совокупности принципов рассеяния и поглощения излучения.
Если αр - показатель рассеяния, то ослабленный за счет рассеяния поток:
Фр = Ф0 e-αрх
Величина потока, ослабленного совокупностью рассеяния и поглощения:
Ф1 = Фр e-αх = Ф0 e-(αрх + αх) = Ф0 e –γ х
где αр +α =γ – показатель совокупного ослабления
Учитывая, что совокупная оптическая плотность среды, легко определить:
c= Dр /εт l
здесь εт – молярный турбидиметрический коэффициент ослабления.
Удельный показатель ослабления для взвеси частиц определяется по формуле:
εт = πr2;
где r – размер частиц.
Подставив это значение в формулу Бугера–Ламберта-Бера и решив его относительно размера частиц, найдем:
Таким образом, удается определять среднестатистический размер взвешенных частиц, либо их концентрацию. Широко известен ряд фотоэлектрических колориметров-нефелометров компенсационного типа ФЭК (например ФЭК-60 и др.).
Типовая схема колориметра-нефелометра типа ФЭК содержит:
1 и 2 – кюветы, 3 – щелевые диафрагмы, 4 – источник света, 5 – спектральный светофильтр, 6,7 и 8 – оптическая система, 9 – фотоприемники, 10 – электроника, 11 – оптический клин-компенсатор.
20. Цели, задачи, классификация методов и областей спектрального анализа.
Спектроскопия – метод исследования спектра поглощения, излучения и рассеяния излучения объектами с целью определения параметров этих объектов.
Для излучательных переходов выполняется соотношение Эйнштейна - Планка:
∆Е = h ν.
Распространены следующие методы спектральных исследований:
Комбинационное рассеяние – рассеяние с изменением длины волны излучения.
Области спектроскопии:
Области спектроскопии показаны на диаграмме рисунка. Там же отражены объекты, создающие излучения соответствующего спектрального диапазона.
21. Классификация спектральных элементов и приборов.
Спектроскоп – прибор для визуального наблюдения спектра.
Стилоскоп - спектроскоп с электрической регистрацией; современная версия спектроскопа; отличается большой разрешающей способностью благодаря спектральному элементу - дифракционной решетке. (Разрешающая способность ∆λ/λ порядка 10-4).
Спектрограф - разновидность стилоскопа с фотографической регистрацией спектра.
Квантометр – приборы с многоканальным анализом с регистрацией сразу нескольких участков спектра.
Спектрометр - универсальный прибор для спектроскопических исследований. Например, спектрометры для определения линий и полос в спектрахNSI-600 (фирма NanoSpectrum Instruments) .
Лазерный спектрометр – приборы активного типа с лазерным источником излучения.
Фурье–спектрометр – приборы с чрезвычайно высокой разрешающей способностью, что достигается построением спектрального элемента на основе интерференционных явлений.
Спектрофотометры - приборы для количественного анализа, например, спектрофотометры ИКС и СФ, колориметры КФК.
Обобщенная схема спектрофотометра.
Классификация спектральных элементов
Реализация аппаратной функции спектрального элемента:
φ(λ) - спектр излучения; α(λ – λ0) - функция пропускания; λ0 - рабочая длина волны; ∆λ - полуширина спектра пропускания.
Спектр, формируемый спектральным элементом:
Аппаратная функция идеального спектрального элемента – δ-функция Дирака: α(λ-λ0)=δ(λ0).
В этом случае Ф(λ0)=Ф0(λ0) λ
22. Развитие атомно–эмиссионной спектроскопии
История спектральных исследований начинается с XIX века. Ранние исследования проводились на приборах с визуальным наблюдением или с фотографической регистрацией спектров. В 1814 году Фраунгофер изготовил прибор, который содержал призму со зрительной трубой, через которую можно наблюдать свет, пропущенный через щель.
Фраунгофер наблюдал солнечный спектр и обнаружил в нем дискретные линии, названные впоследствии линиями Фраунгофера.
Вскоре после этого Кирхгоф сформулировал два так называемых основных закона спектроскопии, которые теперь называют законами Кирхгофа.
Атомно – эмиссионная спектроскопия изучает спектры излучения атомов.
Формула Бальмера: , где m = 3,4…11. λ0 = 364,613 нм.
Формула Ридберга: , где m = 3,4…11., R = 10973,731*м-1 – постоянная Ридберга.
Величина , получившая название волнового числа, широко используется в спектроскопии.
Далее аналогичные закономерности были обнаружены в невидимых областях спектра:
Серия Пашена: .
Серия Лаймана: .
Для стационарных уровней энергии:
Поэтому .
Учитывая экспериментально определенное значение энергии связи, энергии квантовых переходов могут быть записаны формулой:
.
Откуда следует:
Общая теория квантового состояния атомной системы описывается уравнением Шредингера, которое в общей форме включает следующие операторы и функции:
Ĥψ = Eψ,
где Ĥ – оператор Гамильтона,
ψ - волновая функция электрона,
Е – его энергия.
Решение стационарного уравнения Шредингера позволило определить энергетические состояния электронов в атомах. Энергетические уровни характеризуются четырьмя квантовыми числами:
Наличие спина приводит к так называемому тонкому расщеплению спектральных линий, пара линий получила название дублета, может быть выявлена на спектральных приборах высокого разрешения.
23. Естественная ширина спектральных линий
В 1916 году Эйнштейн ввел параметр вероятности самопроизвольного перехода атома из состояния n в состояние m: Anm. Величина Anm названа коэффициентом Эйнштейна для спонтанного излучения. Она показывает связь между количеством атомов, совершивших переход ∆N и числом атомов, находящихся на исходном энергетическом уровне Nn: -∆N=Anm∙Nn∙∆t. Откуда:
dN / Nn = - Anm ∙ dt,
Решение этого уравнения:
,
Дает формулу для количества заполненных орбиталей Nn:
Время жизни носителя заряда на дискретном энергетическом уровне:
τ = (Anm) – 1
Исходя из конечного значения времени жизни носителей, удается объяснить факт размытия реальных спектров излучения относительно центральных длин волн линий λi . показанный на рисунке
Уширение спектральной линии обусловлено постулатами квантовой физики, а именно принципом неопределенности Гейзенберга, и называется естественной шириной спектральных линий. Естественная ширина спектральной линии вычисляется из соотношения неопределённости Гейзенберга:
Существуют другие причины размытия спектра излучения:
24. Приборы атомно - эмиссионной спектроскопии
Обобщенная схема прибора атомно–эмиссионной спектроскопии приводится на рисунке.
Чтобы наблюдать атомные спектры требуется атомизатор –устройство, повышающее внутреннюю энергию вещества и переводящего его в атомный пар. Основные способы атомизации, применяемые в эмиссионной спектроскопии.
При выборе параметров атомизаторов следует учитывать статистические законы закон распределения носителей по энергетическим уровням. Закон Больцмана:
,
где Еi – энергия орбиты;
N0 – параметр распределения.
Демонстрация закона распределения электронов по уровням энергии на рисунке.
где q1 и q2 – статистические веса энергетических состояний
Количество электронов, которые могут совершать переходы с потерей энергии, и, соответственно, излучать кванты электромагнитной энергии
Nф ≈ N2 = N1
Анализ формул показывает:
Спектральные помехи в атомно – эмиссионном исследовании вызваны наложением атомных линий полезного излучения и фона. Для выделения полезного сигнала требуются спектральные элементы высокого разрешения: дифракционные решетки или интерференционные элементы, например, Фурье – спектроанализаторы.
25. Принципы атомно-абсорбционной спектроскопии
Абсорбционная спектроскопия основана на измерении доли поглощаемой оптической энергии. Этот метод базируется на втором из законов спектроскопии Кирхгофа: вещество поглощает энергию на тех же частотах, на которых оно способно эту энергию излучать.
Спектр поглощения дает информацию об энергетической структуре атомов. Как и в случае атомно-эмиссионной спектроскопии, для создания атомов вещества необходима предварительная атомизация пробы.
Атомизатор («а») и вид абсорбционного спектра («б»).
Вид спектральных характеристик, наблюдаемых в абсорбционном исследовании, показан на рис. («б»). В ходе абсорбционного анализа наблюдают:
Доля поглощенной мощности, которая находится из соотношений:
Ф4(λ) = (1 – τλ)Ф0(λ),
Или Ф4(λ)= аλ Ф0(λ),
При абсорбционном исследовании определяется:
Dλ = cА∙ε’λ∙l,
где сА – концентрация атомов в атомизаторе;
ε’λ – приведенный спектральный показатель поглощения свободными атомами.
При контролируемых условиях атомизации, концентрация атомов в атомизаторе пропорциональна концентрации исследуемого вещества с.
То есть сА = КА∙c.
Отсюда: c = Dλ /( КА∙ε’λ∙l) ,
где КА – известный коэффициент атомизации.
26. Приборы абсорбционной спектроскопии
Для исследования абсорбционного спектра используются спектральные приборы активного типа.
В случае атомно – абсорбционного анализа необходим атомно – абсорбционныйо атомизатор. Его функция состоит в переводе вещества в атомарный газ.
Применяются, в основном, два способа атомизации:
С целью более отчетливого наблюдения линий поглощения, пламенные абсорбционные атомизаторы выполняются в виде протяжённых источников.
Конструкция электротермического атомизатора включает протяжённую трубку. Трубка нагревается током большой силы. Регулировка тока может обеспечить изменение температуры в заданных пределах.
Электротермический атомизатор.
Из формулы для оптической плотности среды:
Dλ = cА∙ε’λ∙l
– видно, что увеличение длины прохождения излучения вызывает увеличение доли поглощаемой энергии.
Электротермический способ характеризуется:
Пламя используется для атомизации растворов. При использовании специальных горючих веществ достигаются температуры около 1500 – 3000 К, что позволяет проводить эффективную атомизацию многих веществ.
Помехи атомно-абсорбционного измерения связаны с фоновым излучением и с фоновым поглощением.
Для выделения полезного сигнала, часто применяют временную модуляцию интенсивности сигнала, который регистрируется на частоте модуляции. Эффективный способ коррекции фонового поглощения основан на эффекте Зеемана. В этом случае в магнитном поле линии поглощения свободных атомов смещаются, а поглощение фона практически не изменяется. Благодаря этому возможен дифференциальный разностный способ разделения сигнала и помехи, осуществляемый при подаче переменного магнитного поля.
В последнее время развивается методы спектрального анализа, связанные с лазерной техникой, в частности используются лазеры с перестраиваемой частотой. Такие спектрометры будут рассмотрены далее.
27. Молекулярная спектроскопия.
Предметом молекулярной спектроскопии является внутримолекулярные явления. Эффективная теория построена на основе метода молекулярных орбиталей, определяющим волновые функции молекулярных систем как суперпозицию волновых функций атомных систем с соответствующими весами аi :
,
где аi – веса функций разложения.
В таком случае уравнение Шредингера разбивается на систему уравнений вида:
Ĥψ1 = Eψ1
………………
Нψп = Eψп
Решение этой системы уравнений представляется суперпозицией энергий, среди которых три слагаемых определяют оптические свойства молекулы, так как изменяются дискретно:
∆Еn = ∆Еэл + ∆Екол + ∆Евр ,
где Еэл – энергия электронных состояний в молекуле;
Екол - колебательная составляющая, связана с колебательными процессами в молекулярной системе;
Евр – энергия вращения молекул (с пространственной изомерией).
Распределение электронов по молекулярным уровням энергии.
Энергия квантов, сопровождающих энергетические переходы между молекуляр-ными орбиталями: hν = Енсмо – Евзмо или hνi = Есмоi – Евзмо
Перечисленные формы энергий соотносятся следующим образом:
h νэл >> h νкол >> h νвр
Набор явлений, вызывающих спектральные эффекты, в молекулах разнообразнее, чем в атомах. Поэтому область молекулярной спектроскопии значительно шире.
Так, электронным переходам соответствует видимое и УФ излучение. Колебательные явления проявляются в ближнем и среднем ИК диапазонах. Вращательная составляющая наблюдается в дальнем ИК и микроволновом диапазонах.
Другой особенностью молекулярных спектров является их значительное размытие по сравнению с атомными. Это связано с наложением переходов между большим числом молекулярных уровней энергии.
В результате молекулярные спектры наблюдаются в форме полос, поэтому их называют полосатыми. Они имеют вид, показанный ниже.
Ряд причин вызывает уширение молекулярных спектральных линий.
При условии <<c, где – и скорость движения частицы в направлении распространения света, величина сдвига:
.
Доплеровское уширение определяется массой молекулы и температурой.
∆λ ~ n ~1/L,
где n – концентрация молекул,
L – среднеее расстояние свободного пробега.
Это явление также называют эффектом уширения линий давлением.
Характерные особенности молекулярных спектров следует учитывать рассматривать при разработке и эксплуатации приборов молекулярной спектроскопии.
По аналогии с исследованиями спектров атомов, методы молекулярной спектроскопии подразделяются на два вида.
Молекулярно-эмиссионная спектроскопия определяет энергетическую структуру молекул по спектру излучения.
Молекулярно-абсорбционная спектроскопия изучает спектры поглощения.
28. Принципы люминесцентной спектроскопии
По определению Вавилова, люминесцентным называется излучение, избыточное над тепловым. Люминесцентная спектроскопия рассматривает флуоресценцию и фосфоресценцию. Механизм фосфоресценции поясняется рисунком.
Флуоресценция наблюдается на приборе активного типа.
Основные законы люминесценции определяют принципы люминесцентных исследований.
hνвозб ≥ hνизл,
т.е. νвозб ≥ νизл, или λизл ≥ λвозб
Однако, возможна антистоксовая люминесценция. Механизм представлен на рисунке.
Следствие закона Вавилова:
Спектр возбуждения фотолюминесценции совпадает со спектром собственного поглощения люминесцирующего вещества.
Очевидно: .
Отсюда следует: .
Применяется формула Штерна – Фольмера:
;
По люминесцентному свечению различают вещества:
0,1≤ η ≤ 1 – люминофоры;
10-2< η< 10-1 – слабо люминесцирующие;
η < 10-2 – практически не люминесцирующие.
29. Количественный люминесцентный анализ
Типовая структура флуориметра показана на рисунке.
1 – источник излучения;
2 и 5– спектральные элементы (монохроматоры);
3 – корпус;
4 – люминесцирующий образец; 6 – приемник излучения;
7 – электрическая схема обработки.
Принципы анализа основаны на соотношениях:
;
или
Откуда
;
В итоге, при фотоэлектрической регистрации:
.
Воспользуемся точным выражением для поглощаемой мощности:
;
Решая это уравнение, получим
Для амплитудного способа регистрации потока:
,
тогда:
30. Построение приборов люминесцентного анализа
Два этапа: физический и химический, при этом совокупный квантовый выход:
η = ηфиз * ηх = (44.1)
где Nв – число возбужденных носителей;
Nр – число атомов химической реакции.
(44.2)
1 – источник электрического поля;
2 – кювета; 3 – образец;
4 – спектральный элемент;
5 – фотоприемник;
6 – схема обработки сигнала.
Р(х,t) = Р0Cos(ωз t– kзх + φ0),
где VЗ – скорость звука;
ωз – частота звука;
kз – волновой вектор звуковой волны.
,
Схема прибора триболюминесценции содержит:
1 – образец; 2-трущий элемент; 3-пьезо -манипулятор; 4-генератор; 5-спектральный элемент; 6-фотоприемник; 7-электроника.
31. Методы спектроскопии комбинационного рассеяния.
Комбинационное рассеяние при облучении материалов и веществ сопровождается изменением частоты света. Это связано с изменением энергетических уровней рассеивающих молекул. Происходящие при комбинационном рассеивании процессы описываются квантовой теорией. Данный вид рассеяния в литературе также называют рамановским. Данное явление применяется для определения параметров рассеивающих частиц. Механизм комбинационного рассеяния демонстрируется рисунками.
а – стоксово (hνо>), б – антистоксовое (hνо>).
Интенсивность стоксового свечения выше, чем антистоксового, что следует из распределения Больцмана:
,
n(E2) < n(E1), поэтому: p(E2→E0)<p(E1→E0).
По ∆Еi можно определить: вид частиц, а также энергетическое состояние частиц.
Спектр комбинационного рассеяния.
Отклонение длин волн люминесценции от длины волны фотовозбуждения соответствует вкладу внутренней энергии объекта в энергию кванта излучения. Например, длине волны 510,6 нм соответствует волновое число ν*=1,95848∙104 см-1. Изменение этого числа на 350 см-1 означает изменение длины волны стоксова свечения до 520 нм.
32. Лазерные спектрометры, области лазерной спектроскопии,.
Лазерная спектроскопия позволяет с высокой точностью выделить частоты излучения при исследовании объектов, так как ширина излучения лазера ∆λ может составлять 0,1А0. Рассмотрим спектральные области лазерных исследований. На диаграмме отмечены лазерные источники, работающие в соответствующих диапазонах спектра.
Методы лазерной спектроскопии включают:
Структурная схема лазерного спектрометра включает:
1 – лазер; 2 – среда, управляющая режимом работы лазера;
3 – оптическая система;
4 – объект исследования;
5 – спектральный элемент; 6 – схема обработки сигнала;
7 –цифровой обработки;8 – система контроля
Способы управления частотой лазерного излучения следующие:
В том числе следующие способы изменения энергетических уровней:
33. Лазерные методы исследования сверхбыстрых процессов на примере динамики белков
Поглощение и излучение света длятся пикосекунды, поэтому удается изучить состояние молекулы, в котором она может пребывать не более наносекунд. На рис. 35.1 представлена энергетическая структура белковой молекулы. Наблюдаются основное (Е) и возбужденное (Е*) состояния.
Важно, что межъядерное расстояние выступает как параметр, определяющий энергию кулоновского взаимодействия: ЕП(R). По принципу Франка-Кондона внутри каждого из состояний (Е) и (Е*) можно выделить различные промежуточные стояния, например Е1* и Е2*, которые различаются уровнями потенциального взаимодействия. Соответствующие квантовые подуровни показаны на рисунке состояниями Е1* и Е2*.
Электронные уровни основного (Е) и возбужденного (Е*) состояний молекулы.
При поглощении кванта, за время порядка 10-15 секунды, происходит переход электрона в состояние Е1*, показанный стрелкой 1. За время порядка 10-8 секунды ядра переходят в другое состояние, что соответствует изменению энергии электронов до Е2*.
Из состояния Е2* электрон возвращается в исходное состояние S с излучением кванта света, частота которого
νл=∆Е/h=(Е2*–Е)/h,
отличается от частоты поглощенного кванта, равной
ν0=∆Е/h = (Е1* – Е)/h
на величину
∆ν0 = (Е1* – Е2*) / h = ∆Е* / h.
Этот параметр, измеряемый лазерными методами, служит сигналом о состоянии молекулы.
Очевидно, что время релаксации электрических свойств определяется состоянием среды. Время релаксации фонового заряда окружения молекулы зависит от удельного электрического сопротивления среды:
,
где σ - удельная проводимость. Квантово-механические исследования позволили сформулировать уравнение, связывающее длину волны люминесценции белков с состоянием молекул:
,
где λ – длина волны люминесцентного свечения;
λ∞ - длина волны люминесценции при τ*>> τР;
λ0 - длина волны люминесценции при τ*<< τР;
τ*- время жизни возбужденного состояния;
τР - время дипольной релаксации фонового заряда окружения молекулы.
Изменение релаксационных свойств среды, например при изменении температуры, влияет на соотношение τ* и τР, следовательно, на длину волны излучения. По спектру флуоресценции определяется состояние белковых молекул, например, подвижность белков. В качестве примера ниже приводится характеристика спектра флуоресценции белка нейротоксина от температуры.
Рефрактометрия – это оптический метод, основанный на определении параметров вещества по показателю преломления.: .
Ввиду того, что показатель преломления воздуха мало отличается от единицы, при исследованиях атмосферных явлений часто используется величина (n – 1), называемая индексом рефракции.
В научных исследованиях распространен параметр, называемый коэффициентом молекулярной рефракции (R). Коэффициент молекулярной рефракции для газов или разбавленных растворов определяется из формулы Лорентц – Лоренца:
,
где R – коэффициент молекулярной рефракции; μ – молекулярная масса вещества; ρ – плотность вещества; n – показатель преломления.
Свойства молекулярной рефракции R:
,
где Ri – молекулярные рефракции каждого из веществ, входящих в смесь, содержащую n компонент, ωi – молярные доли веществ в растворе.
Рассмотрим метод анализа структуры вещества по коэффициенту рефракции. В исследовательской практике распространен анализ структуры вещества по алгоритмам, опирающимся на аддитивность коэффициента рефракции.
Ввиду большого числа переменных параметров этот вид анализа проводится на вычислительной технике, входящий в состав измерительного прибора.
35. Систематизация методов и приборов рефрактометрии
Оптическим параметром, определяющим величину рефракции, является показатель преломления. Этот параметр определяет направление оптического луча, которое, в большинстве случаев, определяется одним из двух основных способов.
Пример хода лучей при реализации данного метода представлен схемой
1 – источник света; 2- оптика;
3 – входная диафрагма;
4 – измерительная кювета;
5 – устройство для измерения угла преломления.
Искомый показатель преломления nX может быть определен исходя из угла преломления α2, который измеряется гониометром, и угла α1, определяемого геометрическими параметрами кюветы.
.
Контраст обнаруживается при α = α(0). Это дает возможность определять показатель преломления объекта относительно эталона:
nХ = nЭТ sin α(0).
Оптическая разность хода:
∆L= l∙n1-l∙n2
Разность фаз:
,
Откуда следует
36. Принципы интерферометрии и голографических исследований
Интерференция основана на сложении векторов когерентных электромагнитных волн, что приводит к пространственно неоднородному распределению энергии суммарного электромагнтного поля.
Голография (от греческого holos – полный и gramma – запись) фиксирует совокупность волновых параметров: частоту, амплитуду и фазу.
Это возможно благодаря интерференционной картине, получаемой при наложении отражённого от объекта излучения и опорного сигнала.
Схема записи голограммы:
.
При сложении двух когерентных волн складываются их поля, а не интенсивности.
Интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды:
, или
Из (23.1) следует, что интенсивность результирующего колебания максимальна, если ∆φ = 2πm, где m – любое целое число. Эта разность фаз соответствует максимуму интерференционной картины.
Если ∆φ= 2π(m+1/2), где m – любое целое число, то наблюдаются минимумы интерференционной картины.
Чтобы охарактеризовать интерференционную картину используется понятие оптической разности хода:
,
Здесь х – расстояние.
Если ΔL=mλ, где m – порядок интерференции, то наблюдается максимум интерференционной картины. В этом случае ∆φ=2π, тогда
I=I1+I2+ 2 I1I2.
Если ΔL=(2m+1)λ/2, то наблюдается минимум, тогда
I=I1+I2 - 2 I1I2.
В общем случае разность фаз сигналов:
Показатель преломления зависит от ряда факторов, например, от электрических и магнитных полей. Влияние магнитного поля на показатель преломления называется магнитооптическим эффектом. Зависимость показателя преломления от электрического поля называется электрооптическим эффектом.
Принципы интерферометрии определяются связью параметров внешнего воздействия с показателем преломления n2, от которого зависит вид интерференционной картины. Варианты внешних воздействий на интерференционный датчик:
n = f(p),
где р – механическое напряжение.
n = f (Eвнеш.).
n = f (B).
На аналогичных принципах построены голографические исследования. В случае голографических исследований параметрами, определяющим оптическую разность хода опорного и контролируемого лучей, являются пространственные неоднородности среды (например, элементы микроструктуры объекта).
Расшифровывая голографическую картину, вид которой определяется оптической разностью хода, которая, в свою очередь зависит от параметров объекта, добывается информация о микроструктуре объекта.
37. Волоконно-оптические и интегрально-оптические интерферометрические датчики
Выделяются три группы интерферометров:
В интерферометрах I1 = I2.= I0/2.
Схема интерференции делением амплитуды включает: 1- оптический делитель амплитуды; 2 и 3- плечи интерферометра; 4- оптический сумматор; 5- источник когерентного излучения; 6- точка наблюдения интерференции
Плечо интерферометра определяет путь луча; одно плечо является эталонным, а другое - измерительным.
Схема волоконо-оптического интерферометра содержит:
1- источник когерентного излучения. 2- схема ввода излучения в волокно. 3- волокно.
4 – делитель,
5- сумматор,
6- приемник излучения.
7- чувствительная область волокна.
Оптическая разность хода:
∆L= l*n1-l*n2=l*∆n
Или разность фаз:
,
откуда следует
.
Учитывая интенсивность: I∑= I0+I0 cos (∆φ), получим:
,
Откуда следует
,
или
,
Для фотоэлектрической регистрации:
Интегрально-оптические интерферометры изготавливаются внутри кристалла легированием его волноводных областей: n2- LiNbO3:Ti; n2> n1.
Схема интегрально-оптического интерферометра содержит:
1- источник; 2 – оптическая схема ввода излучения в волновод; 3 – волновод; 4 – делитель; 5 – плечи интерферометра; 6 – сумматор; 7 – волновод; 8 – приемник; 9 – схема обработки сигнала; 10 – область воздействия.
Принцип действия такой же, как в волоконно-оптических интерферометрах, с учетом того, что n2 – показатель преломления области 10, чувствительной к внешним воздействиям, а ∆Х – длина этой области.
Кроме того, если внешнее воздействие уменьшает n2, то получается датчик на основе потерь энергии, поскольку условия полного внутреннего отражения сигнала перестают выполняться.
38. Классические интерферометры в научных исследованиях
Схема интерферометра Майкельсона включает: 1 – источник когерентного излучения; 2 – оптическая система, формирующая параллельный пучок; 3 – полупрозрачное зеркало; 4,5 – отражающие зеркала; 6 – образец; 7 – приемник излучения; 8 – схема обработки сигнала.
4
L/2 оп 6 5
1 2 3 Lu/2
L/2
При определени разности хода необходимо учитывать двукратное прохождение луча через образец длиной ∆Х/2 .
Классическая схема интерферометра Маха - Цендера содержит
1 – источник излучения, 2 и 6 – полупрозрачные пластины; 3 и 4 – зеркала, 5 – образец, 7 – фотоприемник.
Принцип действия приборов идентичен рассмотренным ранее:
Интерференционные приборы измеряют:
n = f(p), где р – механическое напряжение, связанное с давлением.
n = f (Eвнеш.)
n = f (B).
39. Систематизация поляризационных исследований
Уравнение поляризованной электромагнитной волны:
где – единичный вектор, который называется вектором поляризации.
Эллиптически поляризованное излучение.
Частично поляризованное излучение. Р – степень поляризации.
Классификация поляризационных методов научных исследований.
Явление дихроизма - частный случай плеохроизма. Например, для кристалла турмалина при длине волны 0,5 мкм: α ║ = 103м-1, α ┴ = 104 м-1
Степень поляризации излучения, прошедшего через пластинку турмалина толщиной l определяется законом Бугера, соглсно которому: I║ = I0*e -α║ℓ, I┴= I0*e -α┴ℓ.
Учитывая это, получаем:
40. Поляриметрия
Поляриметрия в узком смысле слова – метод измерений основанный на регистрации угла вращения плоскости поляризации оптически активного вещества.
∆α =α0∙с∙ℓ,
где ∆α – угол между векторами Р1 и Р2 на входе и выходе образца;
α0 – удельное вращение [град/м2кг], зависящее от рода вещества;
с – концентрация оптически активного вещества [ кг/м3 ];
ℓ - расстояние.
Молекулы оптически активных веществ представляют собой фигуры без центра симметрии.
Концентрация оптически активного вещества:
.
Схема поляриметра содержит:
1 – источник излучения, 2 – оптическая схема, 3 –светофильтр, 4 – поляризатор, 5 – образец, 6 – анализатор, 7 – приемник излучения, 8 – схема обработки сигнала.
Измерения опираются на закон Малюса:
I(1) = I0 Cos2α
где α – угол между осью поляризатора и направлением поляризации.
Измерения проводятся на скрещенных анализаторе и поляризаторе, то есть при α=π/2. Оптически-активное вещество увеличивает величину потока до значения:
,
Откуда
,
где Ф0 – поступающий поток,
Ф – проходящий поток;
VФ – фотоответ приемника излучения с чувствительностью
SV и спектральной эффективностью φ.
Концентрация оптически активного вещества вычисляется по формуле:
.
Откуда следует
Возможен также компенсационный способ измерения угла вращения плоскости поляризации. В этом случае при отсутствии оптически-активного вещества, анализатор 6 выставляется так, чтобы наблюдался максимальный фотоответ приёмника 7.
После размещения образца с целью определения угла вращения, анализатор 6 вращается до тех пор, пока сигнал на выходе не достигнет своего первоначального значения. По определённому значению сдвига угла направления поляризации ∆α, находят концентрацию вещества.
41. Спектрополяриметрический анализ; законе Био
Спектрополяриметрические исследования построены на законе Био, согласно которому: , где а0i- удельное вращение вещества i в растворе; аi – коэффициент, характерный для данного вещества.
Если имеется n – веществ, то решают систему из n –уравнений..
…………………….......
Решение системы даёт концентрации оптически активных веществ {сi} исходя из результатов спектрального анализа углов поворота плоскости поляризации {∆α(λi)}.
Для исследований используется прибор, схема которого содержит спектральный элемент (3), посредством которого формируются длины волн {λi}.
Спектро – поляриметр содержит: 1 – источник излучения, 2 – оптическая схема, 3 – спектральный элемент, 4 – поляризатор, 5 – образец, 6 – анализатор, 7 – фотоприемник, 8 – схема обработки сигнала, 9 – устройство контроля длины волны излучения, проходящее через поляризатор.
На каждой из длины волны измерения проводятся способами, изложенными в предыдущем разделе. В результате:
42. Приборы на основе интерференционно-поляризационных явлений
В ходе измерений на скрещенных анализаторе и поляризаторе (их оптические оси перпендикулярны), передвигая вторую пластину, добиваются компенсации разности фаз между n0 и ne:
∆φ(Б) =∆φ,
где ∆φ–разность фаз при прохождении двулучепреломленного вещества;
∆φ(Б)- разность фаз при прохождении компенсатора.
Для компенсатора, показанного на рисунке (компенсатор Бабине) сдвиг фаз, после прохождения обоих пластин, составит:
=
где d2 – переменная, поэтому можно менять разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей с целью ее компенсации.
Схема поляризационного прибора включает:
1–источник излучения; 2–поляризатор; 3–светофильтр на длину λ0. 4–образец с двойным лучепреломлением, имеющий длину ℓ; 5–компенсатор Бабине; 6–анализатор; 7–приемник излучения; 8–электронная схема.
Измерение проводится по нулевому сигналу, что достигается при выполнении следующего соотношения:
(nБ0 – nБe )( d1 – d2 ) = (n0 – ne ) ℓ
отсюда разница показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей:
n0 – ne
43. Исследование двулучепреломляющих сред
Принципы измерений, основанные на искусственном двойном лучепреломлении.
n0 – ne = E2*β*λ,
где β - постоянная Керра
n0 – ne =П*Е
где E – напряженность электрического поля;
П – постоянная Поккельса, определяемая соотношением П = n03 r
здесь r – показатель Поккельса; n0 – показатель преломления обыкновенного луча; ℓ - длина образца.
Таким образом E n03 r = n0 – ne
Поэтому
Откуда следует
n0 – ne = Кm*Н*ℓ
n0 – ne = Ком∙σ∙ℓ
где σ – механическое напряжение, которое создается в образцах.
.
44. Люминесцентно – поляризационный анализ
Метод основан на измерении поляризации люминесцентного излучения, которое определяется по формуле Левшина – Перрона:
,
где Р0 – состояние начальной степени поляризации;
τ – время жизни возбужденного состояния;
V – объем частиц;
Т – температура;
R – универсальная газовая постоянная;
μ – вязкость среды.
Из приведенной формулы следует:
Таким образом, удается определять параметры вещества:
Измерение степени поляризации люминисцентного свечения проводится прибором, схема которого приведена на рисунке.
1 – источник излучения; 2 – монохроматор; 3 –люминесцирующий образец; 4 –спектральный элемент; 5 – поляроид, 6 -двигатель.
Если поляризатор вращается с частотой fВ, то динамика фотоответа выглядит как показано на рис.
Амплитуда колебаний на частоте fВ будет аналитическим сигналом. Метод широко используется при определении параметров растворов люминесцирующих веществ в микробиологии.
45. Эллипсометрия в исследованиях поверхностных слоев и пленок
Из основ оптики известно, что в падающем на поверхность раздела сред излучении ЕТЕ и ЕТН составляющие имеют коэффициенты отражения, и различные коэффициенты прохождения через границу раздела двух сред. Количественно эти параметры выражаются известными формулами Френеля:
;
.
;
Данные формулы позволяют определить параметры плеохроизма.
Параметры эллипса поляризации:
Δ = φ1 – φ2,
где φ1 – сдвиг фаз поляризации ЕТН;
φ2 – сдвиг фаз поляризации ЕТЕ.
где ρ – коэффициент отражения.
;
,
где
;
.
Тогда ,
где ,
Δ = φ1 – φ2
В результате анализа эллипсометрических параметров получают значения:
и Δ = φ1 – φ2 ,
Таким образом определяются приповерхностные свойства исследуемых материалов. Схема эллипсометра приводится ниже.
1 – источник когерентного излучения (лазер); 2 – поляризатор; 3 – объект исследования; 4 – компенсатор разности фаз поляризованного излучения;
5 – анализатор; 6 – оптическая система; 7 – приемник излучения; 8 – вычислительная техника для обработки сигнала.
46. Туннельная микроскопия и спектроскопия
Туннельные явления используют волновые свойства электронов, чем проявляют родство с оптическими волновыми явлениями. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) позволяет получать изображения поверхности на атомном уровне.
Квантовая частица описывается волновой функцией
,
где i – мнимая единица, р – квазиимпульс частицы.
Если имеется ступенчатый потенциальный барьер, высота которого Е0>W, то волна частично проходит через указанную границу.
Величина туннельного тока, пропорциональная числу прошедших через барьер частиц, экспоненциально зависит от расстояния:
,
где d – толщина зазора между зондом и поверхностью;
q – показатель ослабления, равный:
Туннельная спектроскопия основана регистрации величины туннльного тока, определяемого решением приведенных выше уравнений, относительно энергии поверхностных состояний, определяющих локальную высоту барьера |Е0 – W|.
Этот метод широко применяется при исследованиях микрообъектов.
В роли потенциального барьера в методе СТМ выступает зазор между остриём зонда (2) и проводящей поверхностью (1).
Зонд (2) управляется манипулятором (4) из пьезоэлектрика.
Устройство (7) перемещает зонд вдоль объекта. Если расстояние d меняется, то изменяется туннельный ток.
Контур обратной связи (5), вырабатывает сигнал, управляющий пьезо – манипулятором. Он несёт информацию о рельефе поверхности.
1
n2
10
5в
n1
4
1
8
9
n2(1)
6
5а
3
2
5
2
11
10
9б
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
Явления в среде – метод исследования
Поглощение - Колориметрия
Рассеяние - Нефелометрия
Люминесценция -Флюориметрия
Погл. и рассеян.- Турбидиметрия
Отражение - Рефлектометрия
Зрительная
труба
8
6
7б
7а
9а
5
4
3
2
1
усил.
α
αmax
Ф0
МП
АЦП
Спектральная
призма
Входная
диафрагма
hνо
hνр
∆Е
λ= с/ ν
1012
1011
1010
109
108
ν, [Гц]
λ,[м]
10-9
10-7
10-5
10-3
УФ
вид
ИК
электронные
колеб.
вращательные
образец
ФП
спектральный элемент
спектральные
призмы
дифракционные решетки
интерференционные элементы
спектральные
фильтры
α (λ – λ0 )
Ф(λ0 )
Ф0(λ)
λ
λ
λ0
∆λ
Ф0(λ)
α (λ – λ0)
δ
λ
λ0
Фэ(λ)
∆λ
λ
λi
λ
τλ
λ
l
Ф1
Ф0
а
НСМО (Е2→ ЕНСМО)
ВЗМО Е1→ ЕВЗМО
. . . .
EMBED Equation.3
hνn = Еn - Е1=∆Е1
Е1
Е2
Еn
2.
Атомизатор
1.
Образец
5.
Электроника
4.
Фоточувствит.
элемент
3. ∆
Спектральный
элемент
Устройство
обработки
сигнала и индикации
Устройство
регистрации
сигнала
Пьезодатчик
Исследуемый
объект
Лазер
Т
hνв
2
1
7
6
4
обр
∆
ФП
сх.обр
∆
νв
νЛ
Et
hνф = Ec - Ev
Et
Ev
Ec
7
6
Е1 < Еt < E2
hνл
3
2
1
Е2
Е1
Еt
2
1
hνл
1
Е1*
Е
Е2*
360
365
λ0 = 510,6 нм
Iр, произв.ед
ν*, см-1
355
1 лазер
2
8
5
5
1
2
3
hνл
4
6
Вещество
3
1
ГСС
hνл
5
6
7
2
4
∆λ ~ А0
νм1
I
1 нм
λ
7
В=0
Е1= Е2
Е2(В)
Е1(В)
В≠0
0,1
спиновые
газовые
п/п
ИК
УФ
100
10
Е1
Е2
hνо
hνр
а
Е1
Е2
hνр
hνо
б
6
5
4
3
3
1
2
4
d
d
x
E0
8
7
6
5
4
1
5
4
3
θ
β
α
l0
∆l
2
L
И.И 1
8
7б
7а
5
6
3
2
1
ЭВМ
n3
n2
х
y
ψ
Δ
Vф2
Vф1
t
Т=1/fВ
5
6
fВ
4
t, 0С
-100
-200
λ,нм
320
340
Vф
5
hνл
hνл
3
hνв
Ф.П.
1
3
h2
2
h1
1
4
2
6
8
7
5
4
ℓ
λi
3
1
2
I(2)
I(1)
1
2
3
4
5
6
7
8
λi
9
ОАВ
7
8
I(2)
6
ℓ
λi
5
I(1)
4
3
вид
2
1
О.А.В.
- знак элептической поляризации
8
7
2
3
n1
n0
7
6
10, (n1+∆n)
5б
5а
4
9
8
1
1
3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
∆L = (n1 – n2) ℓ
n2
n1
ℓ
3
ℓ
Фм( λ )
λ
СМО ЕСМО(i)
Ф0
Проба
Устройство
регулирования
накала
Ф1
1.
Излучатель
4.
Атомизатор
3.
Образец
6.
Электроника
5.
Фоточувств.
элемент
2. ∆
Спектр.
элемент
б
Dλ
λi
Свет
от
Солнца
Наблюдатель
К наблюдателю
Ф
Фэт
1
4
2
3
α
λ, мкм
-α(0)
темн.
α(0)
nэт
nХ
светл.
α(0) - угол полного внутреннего отражения
α(0) = arcsin(nХ/nЭТ),
Условие корректности метода: nХ < nЭТ.
α2 = π/2
угол Брюстера находится из соотношения:
tg αБ = nХ / nЭТ
поэтому: nХ = nЭТ (tg αБ )
αБ
nХ
nЭТ
α1
α2
α1
5
3
2
1
Гониометр
nX
EMBED Word.Document.8 \s