Закон Бера это физический закон, в основу которого лежит ослабевание пучка света при прохождении его в поглощающей среде, часто этот записывают закон Бугера Ламберта Бера.
Открытие закона Бугера Ламберта Бера принимали три ученых, французский ученый Пьер Бугер (1729), тщательно рассмотрен немецким ученым И. Г. Ламбертом (1760), и проверен на опыте немецким учёным А. Бером (1852), отсюда и название формула Бугера-Ламберта-Бера.
Этот закон был выражен следующей формулой:
На основании этого был рассчитан закон Бера выполняющийся для относительно низких концентраций. При высоких концентрациях вследствие взаимодействия между молекулами показатель поглощения становится зависимым от концентрации раствора.
Что такое закон Бера
Измерения в области цветного света называются колориметрией. При лабораторных исследованиях колориметрический метод применяется для определения концентрации веществ в растворах.
Исследуя поглощение монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условии, что растворитель не поглощает свет данной длины волны), Бер показал, что оно подчиняется закону Бугера и что показатель поглощения k прямо пропорционален концентрации С вещества в растворе (закон Бера);
k = хС,
где х — есть удельный показатель поглощения (для слоя единичной толщины раствора единичной концентрации). Тогда формула закона Бугера— Бера для силы света примет вид:
Id = I0e —xCd
Чаще, используя десятичные логарифмы, формуле закона Бугера— Бера придают следующий вид:
Id = I010 —xCd .
Здесь x’ = x/2,3. Отношение Id/I0 = τ называют коэффициентом пропускания или прозрачностью раствора, а величину D = lg(I0/Id) = — lg(Id/I0) оптической плотностью (закон бугера ламберта бера оптическая плотность).
В соответствии с приведенной выше формулой оптическая плотность D = x’Cd. Следовательно, для растворов одного и того же вещества оптическая плотность D прямо пропорциональна произведению концентрации С на толщину d слоя раствора.
Если два раствора одного и того же вещества с концентрациями C1 и С2 при толщине слоев d1 и d2 поглощают свет одинаково (т. е. их оптические плотности равны; D1 = D2, то для них выполняется соотношение C1d1 = C2d2, откуда
C1/C2 = d2/d1
Следовательно, в этом случае концентрации растворов обратно пропорциональны толщинам слоев: Это соотношение и лежит в основе метода, называемого концентрационной колориметрией. Применяемые при этом приборы называются колориметрами и разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектроколориметры).
Прибор колориметр
В качестве примера визуального прибора опишем плунжерный колориметр (рис. 2). В нем свет от источника И через конденсорную линзу Л падает на два расположенных рядом стакана КК, в одном из которых налит стандартный раствор, в другом — исследуемый. Высота слоя растворов регулируется при помощи стеклянных столбиков (плунжеров) СС.
Пройдя столб жидкости и плунжеры, свет попадает в призму П и затем в поле наблюдения, которое имеет форму двух соприкасающихся по диаметру полукругов, рассматриваемых через окуляр Ок.
Путем погружения в растворы плунжеров добиваются одинаковой яркости обеих половин поля зрения. По положению плунжеров устанавливают толщины слоев растворов в обоих стаканах. Тогда концентрация С исследуемого раствора определяется из соотношения:
С= Сст(dcТ/d) ,
где Сст— концентрация стандартного раствора, dст и d — толщины слоев стандартного и исследуемого растворов.
Колориметр типа КО-1М приведен на рис. 2,а. Он состоит из основания П, на котором укреплена подставка Б для стаканов. Вверху расположена головка Г, содержащая фотометрические призмы, диафрагму со светофильтрами и окуляр.
Снизу к подставке крепится осветитель О. Плунжеры С передвигаются с помощью зубчатых реек и маховичков М. Отсчет их положения делается по шкале, расположенной около маховичков.
На рис. 2, б показано внутреннее устройство прибора: И — лампа, Л — линза осветителя, П — матовое стекло, Д — диафрагма, 3 — направляющее зеркало, К — стаканы для раствора, С — плунжеры, М — механизм для их передвижения, НП — направляющая призма, ФП — фотометрическая призма, Ф — светофильтр, О — окуляр.
Фотометрический метод определения
Фотометрический метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией. Нефелометр устроен подобно колориметру, за исключением того, что растворы освещаются боковым светом, при чем сравнивается яркость света, рассеянного взвешенными частицами в стандартном и исследуемом растворах.
На рис. 3 (1) показан ход лучей через исследуемую среду:
- При колориметрии
- При нефелометрии.
При нефелометрии свет от осветителя Л, ограниченный шторкой Ш, падает на кювету сбоку. Наблюдение производится через окуляр О, призму П и столбик С, регулирующий толщину слоя раствора.
Метод основан на том, что, во-первых, яркость рассеянного света прямо пропорциональна концентрации взвешенных частиц (количеству частиц в единице объема), и, во-вторых, световой поток, исходящий из столба светящейся рассеянным светом взвеси, прямо пропорционален его высоте.
Последнее условие выполняется только при концентрациях, не превышающих 1:4. Это определяет границы применения метода.
Фотоэлектроколориметры разделяются на приборы с прямым отсчетом и компенсационные. В первом случае (рис. 3 (2), а)свет от источника И через линзу Л, светофильтр Ф и кювету с раствором К падает на фотоэлемент Ф, соединенный с измерительным прибором Г. Отклонение стрелки прибора пропорционально световому потоку, прошедшему через раствор.
Разность отклонений стрелки прибора при фотометрировании кюветы с чистым растворителем, а затем кюветы с раствором показывает долю светового потока, поглощенную растворенным веществом. По ней можно определить и его концентрацию.
В компенсационном фотоколориметре имеются две измерительные цепи (рис. 3 (2), б) и два фотоэлемента Ф1 и Ф2, включенных вместе с гальванометром Г и сопротивлениями R1 и R2 по схеме моста.
При равенстве световых потоков, падающих на оба фотоэлемента, стрелка гальванометра стоит на нуле. Если в одну из цепей поместить кювету с растворителем, в другую — с раствором, то стрелка гальванометра отклоняется.
Используя компенсационные элементы прибора, например диафрагму Д или поглощающие свет клинья К, уравнивают световые потоки, падающие на фотоэлементы. Тогда поглощенная часть светового потока определяется по шкале компенсационного устройства.
Шкала градуируется в оптических плотностях, которые при стандартной толщине слоя раствора прямо пропорциональны концентрации.
Применение фотоколориметрического метода
Фотоколориметрический метод используется, например, при оксигемометрии (определение степени насыщения крови кислородом). Метод основывается на изменении спектра поглощения крови в зависимости от степени насыщения ее кислородом (переход гемоглобина в оксигемоглобин или обратно).
Наблюдение производится путем просвечивания хрящевого участка ушной раковины с помощью небольшой электрической лампочки накаливания, помещенной в одной из половин специального, надеваемого на ухо датчика прибора. Действие тепла от лампочки способствует расширению капилляров и ускорению тока крови, которая поэтому близка по характеру к артериальной.
Датчик гибким проводом соединен с измерительной частью И (рис. 4, б). Свет от лампочки Л1 проходит сквозь ткань Р ушной раковины и светофильтр С1 затем падает на фотоэлемент Ф1, помещенный в другой половине датчика и наиболее чувствительный в красном участке спектра.
Состав света, падающего на фотоэлемент, зависит от спектра поглощения крови, заполняющей сосуды, и изменение его регистрируется соединенным с фотоэлементом измерительным прибором.
Для того чтобы исключить влияние на результаты измерения других факторов, изменяющих главным образом силу света, прошедшего через ткани (изменение общего кровенаполнения сосудов или содержания гемоглобина в крови ит. п.), применяется второй фотоэлемент Ф2 с лампочкой Л2 и светофильтром С2.
Этот фотоэлемент наиболее чувствителен к инфракрасной части спектра и реагирует на изменение оптических свойств просвечиваемой ткани независимо от изменения ее спектра в красной (видимой) части.
Фотоэлементы включены между собой по дифференциальной схеме (навстречу), благодаря чему показания измерительного прибора прямо пропорциональны проценту насыщения крови кислородом, который и обозначен на шкале измерительного прибора. Весь прибор называется оксигемометром (регистрирующий прибор — оксигемографом).
Что такое спектрофотометрия
Метод исследования оптических свойств вещества (излучательной способности, коэффициентов поглощения или отражения и т. п.) в зависимости от длины волны излучения называется спектрофотометрией. Соответствующий прибор (спектрофотометр) состоит из источника белого света, спектрального прибора (монохроматора) и фотометрического устройства в виде фотоэлектроколориметра.
Статья на тему Закон Бера