|
Фотометрия физика. Фотометрия (лекция) (1). Оптическое излучение и его взаимодействие с веществом. Отражение, рассеяние, поглощение, пропускание и их количественная оценка
ЯГМУ
Медицинская физика
« Фотометрия »
Составил: Крайнова Е.Ю.
Оптическое излучение и его взаимодействие с веществом. Отражение, рассеяние, поглощение, пропускание и их количественная оценка.
Оптическое излучение - поперечные электромагнитные волны, которые распространяются в вакууме со скоростью света (с = 3-Ю8 м/с) и имеют длину волны 1мм - 1нм.
К оптическому излучению относятся инфракрасное (ИК) (тепловое), ультрафиолетовое (УФ) и длинноволновое рентгеновское излучения. Оптическое излучение обладает энергией.
W (Дж) - лучистая энергия.
На практике используется понятие - лучистый поток Ф.
Ф = W/t [Дж/с = Вт].
Это - лучистая энергия, переносимая оптическим излучением в единицу времени (мощность оптического излучения).
Лучистый поток, состоящий из лучей разных длин волн, называется спектрально-сложным (интегральным). Пример: белый свет. Лучистый поток в узком диапазоне длин волн или какой-то определенной длины волны называется монохроматическим.
При прохождении лучистого потока через различные среды он ослабляется. Причиной ослабления является его отражение, рассеяние, поглощение.
Ф0 - неослабленный лучистый поток
Ф - отраженный л.п.
Ф - поглощенный л.п.
Ф - рассеянный л.п.
Ф - ослабленный л.п. на выходе из среды ( пропущенный л.п.)
Отражение - может быть зеркальным и диффузным (т.е. от матовых поверхностей). Оно подчиняется законом отражения.
Рассеяние - ослабление лучистого потока в неоднородных средах (в средах с микроскопическими частицами, соизмерительными с длинной волны излучения - пыль, дым).
По закону сохранения энергии:
Ф0= Ф + Ф +Ф + Ф
= Ф\ Ф0 — коэффициент отражения
= Ф\ Ф0 — коэффициент поглощения
= Ф\ Ф0 — коэффициент ослабления
= Ф\ Ф0 — коэффициент рассеяния
Все коэффициенты зависят от свойств поглощающей среды и не зависят от мощности оптического излучения.
+ a + t + d = 1
II. Поглощение света и его особенности. Основной закон поглощения в дифференциальной и интегральной формах.
Поглощение - явление ослабления лучистого потока по мере проникновения его вглубь вещества или среды.
Смысл поглощения заключается в том, что энергия оптического излучения переходит в другие виды энергии (тепловую, химическую, люминесцентную и др.)
Особенности:
1. Зависит от вида поглощающего вещества.
2. Зависит от концентрации поглощающего растворенного вещества.
3. Зависит от толщины слоя вещества.
4. Происходит по закону убывающей показательной (экспоненциальной) функции.
Закон поглощения в однородной среде для монохроматического излучения был установлен французским ученым Бугером в 1729 году и теоретически обоснован французским ученым Ламбертом в 1760 году.
Формулировка основного закона поглощения:
Слои вещества одинаковой толщины поглощают равные доли (части) падающего на них монохроматического светового (лучистого) потока независимо от его абсолютной величины.
1. Закон поглощения в дифференциальной форме:
Пусть на слой вещества толщиной «l» падает неослабленный лучистый поток Ф0.
Выделим в этом слое элементарный слой «dx». Проходя через вещество, лучистый поток поглощается слоем «Фх», а также самим элементарным слоем «dФх». На выходе из вещества слоем толщиной «l» лучистый поток ослабляется до значения «Фl».
Ф0 - неослабленный лучистый поток;
Фх - лучистый поток, падающий на элементарный слой;
dФх - лучистый поток, поглощённый элементарным слоем «dx»;
Фl - ослабленный лучистый поток на слое толщиной « l»;
dx - толщина элементарного слоя.
dФx = -kх · Фх ·dx
Формулировка:
Лучистый поток, поглощённый элементарным слоем, пропорционален лучистому потоку, падающему на этот слой, и толщине этого слоя.
«kλ» - коэффициент пропорциональности, показатель поглощения, зависит от длины волны (λ) или частоты (ν) падающего излучения и от природы вещества. (kλ по СИ [м-1]).
Знак «-» в законе поглощения означает убыль интенсивности излучения. Следствия:
1. dФx/dx = - kλ · Фх — абсолютная скорость поглощения
Абсолютная скорость поглощения прямо пропорциональна лучистому потоку, падающему на этот слой.
2. dФx/Фxdx = - kλ — относительная скорость поглощения. Относительная скорость поглощения есть показатель поглощения.
2. Закон поглощения в интегральной форме.
Этот закон выводится из дифференциальной формы закона поглощения.
1. dФx = -k·Фx·dx
2. Разделим переменные:
dФx / Фx = -k·dx
3. Проинтегрируем обе части равенства:
Лучистый поток в пределах от «Ф0» до «Фl».
Толщина слоя в пределах от «0» до «l»
- интегральная форма закона Бугера – Ламберта
Лучистый поток на выходе пропорционален лучистому потоку на входе и убывает по закону экспоненциальной функции.
Графическая интерпретация закона:
 
Ф0
При увеличении толщины слоя L поглощение быстро возрастает, причем скорость этого возрастания пропорциональна показателю поглощения k.
k2 > k1
Максимальное значение «k» определяет избирательность поглощения различными веществами определенных длин волн.
Избирательным поглощением обладают все вещества.
Например: резкий «max» поглощения для кожи человека лежит в пределах длин волн около 300 нм (УФ-область). Эта область обладает лечебным свойством. Эту область сильно поглощает так же оконное стекло, но плохо поглощает кварцевое и увиолевое стекла - поэтому их используют в медицинских ртутно - кварцевых лампах.
III. Зависимость показателя поглощения от концентрации (правило Бера). Закон Бугера - Ламберта - Бера.
Когда свет поглощается молекулами вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, то «kλ» оказывается прямо пропорционален концентрации раствора «С».
 kλ с  — правило Бера.
xλ – молярный коэффициент погашения, не зависит от концентрации «с» и характерен для молекул поглощающего вещества. Для практических целей закон будет иметь вид:
 - закон Бугера-Ламберта-Бера.
Но этой математической формулой закона пользоваться неудобно. Поэтому экспоненту «е ≈ 2.7» как основание натурального логарифма заменяют на основание десятичного логарифма «10», которым удобнее пользоваться на практике:
Подставим в формулу закона Бугера – Ламберта - Бера:
0,43 · хλ = const
Заменим «0,43 · хλ» на «х'» -приведённый коэффициент погашения. Тогда закон Бугера-Ламберта-Бера будет иметь вид:
Оптическая плотность, её характеристика.
При практическом использовании формула закона Б-Л-Б неудобна, т.к. зависимость между «Фl» и «С» - нелинейная. Для вычисления линейной зависимости ввели оптическую плотность «D».
«D - это десятичный логарифм отношения неослабленного лучистого потока Ф0 к лучистому потоку, прошедшему через среду Фl.
Введем эту величину в закон Бугера – Ламберта – Бера, записанный через основание «10».
Выразим отношение Фl / Ф0
Найдем десятичный логарифм от обеих частей равенства и сделаем математические преобразования.
Запишем закон Бугера – Ламберта – Бера в виде линейной зависимости.
Т.о.
т.е. между оптической плотностью «D» и концентрацией вещества «С» существует линейная зависимость.
В ывод: пользование на практике этой величиной очень облегчает расчеты, т.к. заменяет сложную в расчетах показательную функцию на более простую.
Пример: при D = 2 lg(Ф0 /Фl) = 2 Ф0 /Фl = 102 Фl = Ф0 /100
т.е. слой единичной толщины при D = 2 ослабляет интенсивность лучистого
потока в 100 раз.
IV. Основные фотометрические методы и их характеристика.
В медицине закон Бугера-Ламберта-Бера используется для определения концентрации вещества в окрашенных растворах.
Фотометрические методы - это совокупность оптических методов для определения концентрации вещества в растворах, гистологических и цитологических препаратах на основе закона Бугера-Ламберта-Бера.
Их преимущества:
- простота применения
- быстрота определения концентрации
- сравнительно высокая чувствительность
Различают 3 группы:
1) Визуальные методы
2) Фотоколориметрические методы
3) Спектрофотометрические.
1. Визуальные методы.
Визуальные - в которых на глазах сравниваются и уравниваются оптические плотности или интенсивности окрасок двух однородных растворов, в одном из которых известна концентрация поглощающего вещества.
Dст - оптическая плотность известной концентрации
Dx - оптическая плотность неизвестной концентрации
Т.о.
Dст. = Dx
Т.к. природа сравниваемых растворов одинакова, то
 
Рабочая формула данного метода
В медицинской практике этот метод имеет 3 разновидности:
1) Метод стандартных серий
Суть: раствор неизвестной концентрации Сх сравнивается по интенсивности окраски с набором стандартных растворов известной концентрации Сст.
Тот стандарт, который ближе всего по интенсивности окраски исследуемому раствору Сх и принимается за основу значения концентрации исследования раствора.
Преимущества: может не соблюдаться в точности закон Бугера-Ламберта-Бера.
Недостатки: невысокая точность определения концентрации (2-5%)
2) Метод разбавления
Суть: Раствор неизвестной концентрации Сх разбавляют до тех пор, пока интенсивность его окраски или оптическая плотность не уравняются со стандартным раствором известной концентрации Сст.
Зная степень разбавления по высоте подъема жидкости в пробирке Lx, легко определяется концентрация. Этот метод используется для определения гемоглобина в крови человека.
3) Метод погружения
Суть: в две измерительные пробирки с плоским дном помещают стандартный «Сст» и неизвестный «Сх» растворы. Сверху в пробирки погружают стеклянные стержни-световоды с плоским полированным торцом. Принимая глубину погружения одного стержня за 1 (единицу), будем изменять глубину погружения др. стержня до тех пор, пока поле зрения в окуляре не будет иметь равную интенсивность окраски. При этом получим Dст= Dх. Измерив по счетным устройствам глубину погружения каждого из стержней найдём концентрацию неизвестного раствора «Сх» по формуле:
Этот метод используется в визуальных калориметрах погружения.
2. Фотоколориметрические методы.
Они облегчаются от визуальных тем, что уравнивание оптических плотностей или интенсивностей окраски производят не визуально, а при помощи одного или двух фотоэлементов, включенных по специальной дифференциальной схеме. Условие DCT= DX выполняется, когда стрелка измерительного прибора - индикатора устанавливается на «0». Этот метод реализуется в фотоэлектрокалориметрах.
3. Спектрофотометрические методы.
Используются в аппаратах - спектрофотометрах, которые позволяют построить или автоматически записать спектральную кривую поглощения данного раствора в определенном участке длин волн. Как правило, записывается зависимость «D» от «λ», или зависимость коэффициента пропускания или поглощения «» от «λ».
К аждый спектрофотометр состоит из оптической и электрической части.
Оптическая - включает источник света (водородная лампа, кварцевая и т.п.), измерительную щель, кюветы с исследуемым раствором.
Электрическая - включает фотоэлемент, регистрирующий прошедший через раствор лучистый поток, регистрирующее устройство, позволяющее снять показания или записать кривую поглощения.
Для того, чтобы изменять «L» света, проходящего через раствор, каждый спектрофотометр снабжен монохроматором, разлагающим свет от источника в спектр и соответствующий участок спектра, направляется на раствор. |
|
|
Скачать 291.61 Kb.