Схеми приладів та принципи їх роботи

Вимір спектрів.Вчення про вимір розподілу потужності випромінювання за спектром називається спектрофотометрією. Її методи полягають у фотометруванні спектрів, тобто вимірі розподілу променистих або світлових потужностей за довжиною хвиль або частотами. Під спектром найчастіше мають на увазі зображення, що утворюється розкладанням випромінювання на його «монохроматичні» складові. Проте у багатьох випадках в той же термін вкладають інший зміст, маючи на увазі склад складного випромінювання, розподіл його характеристик за довжинами хвиль. В цьому сенсі спектрофотометрія дає методи отримання спектрів випускання, поглинання і розсіювання, що виражаються кривими розподілу світлових або енергетичних величин за довжинами хвиль або частотами випромінювань.

Суть вимірів спектрофотометрії. Випромінювання за допомогою диспергуючого пристрою, наприклад призми або дифракційних грат, розкладають в спектр (рис. 4.11). За допомогою щілинної діафрагми з нього виділяють вузький пучок світла – інтервал Dλ. Його направляють на реагуючий приймач або на потужність (фотоелемент, термостовбчик), або на енергію пучка (фотографічний матеріал). Реакцію приймача вимірюють. Знаючи характер залежності між реакцією і потужністю (енергією), знаходять потрібну спектральну величину, що доводиться на цей інтервал або, як спрощено вважають, на цю довжину хвилі (середину інтервалу). Після цього будують графік залежності, наприклад світлового потоку від довжини хвилі, що характеризує спектральний склад випромінювання (спектр випускання джерела).

При вимірі спектру поглинання перед приймачем поміщають шар речовини, поглинання якої вимірюється. За потужністю «монохроматичного» випромінювання до і після проходження його через шар знаходять міру поглинання, виражаючи її коефіцієнтом поглинання, оптичною щільністю або питомим показником поглинання. В цьому випадку результат виміру описується графіком залежності виміряної величини від довжини хвилі – спектром поглинання.

Рис. 4.11 – Схеми виміру спектрів випускання (а), пропускання (б) і віддзеркалення (в)

Спектр віддзеркалення отримують в результаті порівняння монохроматичних характеристик випромінювання, відбитого даною і білою еталонною поверхнею. Найчастіше це – монохроматичний коефіцієнт віддзеркалення.

Пристрої і деталі спектральних приладів.Оптичні прилади, призначені для розкладання складних випромінювань в спектр з метою його дослідження, носять загальну назву спектральних. Для отримання спектру і виділення вузьких спектральних ділянок слугують монохроматори. Вони застосовуються у поєднанні з фотометром – приладом, що дозволяє вимірювати потужності виділених ділянок. Часто монохроматор і фотометр об'єднують в один прилад, що називається спектрофотометром. Як і інші світловимірювальні прилади, спектрофотометри бувають візуальними і об'єктивними. У об'єктивних застосовуються різні приймачі випромінювань, найчастіше – фотографічний і фотоелектричний.

Спектральні прилади для реєстрації спектру називаються спектрографами. Іноді це тільки фотографуючі прилади, а ті, в яких приймачем слугує фотоелемент, називаються спектрометрами.

Монохроматори. Залежно від типу диспергуючого пристрою розрізняють призмові, дифракційні і інтерференційні прилади. Основою кожного з них слугує монохроматор, принципова схема якого показана на рис. 4.12.

Освітлювач 1 (лампа Л, конденсор К) створює рівномірну освітленість в площині щілини Щ₁ яка є, таким чином, вторинним джерелом світла, що відрізняється від основного тим, що має однакову на усій площі яскравість.

Передній коліматор 2 слугує для створення паралельного пучка променів. Щілина Щ₁ знаходиться у фокусі об'єктиву О₁ коліматора і тому проектується на диспергуючий пристрій 3 паралельним пучком. Внаслідок цього монохроматичні промені однакових кольорів, що виходять з диспергуючого пристрою, виявляються також паралельними (на рисунку показані крайні промені: К₁//К₂ і Ф₁//Ф₂).

Переміщаючи щілину Щ₂ уздовж спектру, по черзі виділяють інтервали по усій його довжині. У багатьох схемах приладів передбачено не переміщення щілини, а поворот диспергуючого облаштування відносно нерухомої осі. З рисунка видно, що кожна точка щілини Щ₁ дає в спектрі монохроматичні точки (F_к і F_ф). Отже, уся щілина зображується монохроматичними смужками. При цьому лампа Л випускає монохроматичне світло. В цьому випадку на об'єктив О₂ спрямовується не віяло променів, а монохроматичний паралельний пучок. Об'єктив О₂ зображує щілину у вигляді монохроматичної смужки, розміри якої визначаються його фокусною відстанню і шириною щілини. Смужка – зображення вхідної шпари коліматора, що утворюється об'єктивом вихідного коліматора, називається в спектрофотометрії спектральною лінією. Складне світло дає безліч спектральних ліній, які взаємно перекриваються, якщо спектр суцільний. Перекривання тим більше, чим ширше щілина. Тому монохроматичність випромінювання, що пропускається вихідною шпарою, зменшується з розширенням вхідної. Міра монохроматичності пучка, що пропускається щілиною Щ₂, називається чистотою спектру.