Краткая теория

При прохождении параллельного пучка монохроматического света через поглощающее вещество (если ослабление света определяется только числом поглощающих молекул, находящихся на пути лучей и не зависит от абсолютной величины потока, а также от взаимного влияния молекул) выполняется закон поглощения света, открытый французским ученым Бугером (1729) и подробно проанализированный Ламбертом (1760). Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество, вследствие прекращения световой энергии в другие виды энергии.

Каждый бесконечно тонкий слой однородной среды поглощает долю входящего в него светового потока, пропорциональную его величине. Вторая закономерность была установлена Бером (1852): поглощение света тонким слоем однородной среды пропорционально концентрации поглощающих молекул.

Установленные опытным путем Бугером, Лимбертом и Бергом закономерности можно выразить одним математическим выражением:

, (1)

где I₀ – входящий световой поток, I – выходящий световой поток,

α – показатель поглощения света, в общем случае зависящий от длины волны, С – концентрация, dl – элементы толщины слоя.

Интегрируя выражение (1) получим закон Бугера-Ламберта-Бера:

(2)

Закон справедлив для монохроматического света. Поэтому приборы для определения концентрации растворенного вещества снабжаются монохроматорами или светофильтрами.

Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело или раствор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом пропускания. Выразим его как отношение интенсивностей:

(3)

При количественных измерениях следует учитывать, что часть светового потока отражается от стенок кюветы. Для разных кювет величина отраженного светового потока будет различна, а, следовательно, будет различен и световой поток I₀. Это приводит, в конечном счете, к получению несопоставимых данных. Поэтому в фотоколориметрах чаще всего используют одну и туже кювету, поочередно заполняя ее раствором исследуемого вещества и растворителем.

На практике поглощение определяют оптической плотностью D, которая по определению равна

(4)

В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера

, (5)

где α^/ - десятичный показатель поглощения.

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой поток отклоняется по всевозможным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света – наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние – сложением (а не интерференцией!) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под воздействием света.

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2λ, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея):

. (8)

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размеров макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы – нефелометрами.

Приборы, используемые для фотометрии (спектрофотометры) растворов обычно имеют шкалу, проградуированную в единицах оптической плотности. Поэтому для определения неизвестной концентрации раствора предварительно строят калибровочный график (зависимости, измеренной на данной длине волны света оптической плотности D от известной концентрации растворов С). В соответствии с выражением (5) (если соблюдаются все предположения, заданные при выводе формулы закона Бугера-Ламберта-Бера) калибровочный график представляет собой прямую в некотором диапазоне концентраций растворенного вещества. Измерив оптическую плотность D_y раствора с неизвестной концентрацией С_y по калибровочному графику находят неизвестную концентрацию С_x.