sự hấp thụ ánh sáng trong môi trường dung dịch và thuỷ tinh dân dụng

LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành với sự giúp đỡ của các Thầy, Cô trong khoa đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của Thầy Mai Xuân Dương và sự giúp đỡ của nhóm thí nghiệm trong suốt quá trình làm thí nghiệm cũng như hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy các cô cùng toàn thể các bạn sinh viên đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Sinh viên Nguyễn Thị Hồng Tâm - 1 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học thực chất là một khoa học thực nghiệm. Vì vậy trong quá trình học tập, nghiên cứu môn vật lý, thí nghiệm đóng một vai trò rất quan trọng. Nó không chỉ khẳng định những cơ sở lý thuyết mà nó còn tăng tính hấp dẫn của môn học. Nó giúp người học hiểu sâu sắc các kiến thức lý thuyết đã học và rèn luyện được khả năng thực nghiệm và đặc biệt quan trọng là nó từng bước tạo cho người học một trực giác nhạy bén đối với các hiện tượng vật lý. Vật lý đại cương bao gồm 4 phần: Cơ , Nhiệt, Điện, Quang. Quang học là nghiên cứu sự kỳ diệu của ánh sáng với dung lượng lớn cùng các hiện tượng đa sắc màu được chia ra làm hai mảng lớn đó là nghiên cứu về tính chất sóng và tính chất hạt của ánh sáng. Xuất phát từ những lý do trên, Vì vậy trong quá trình làm khoá luận tốt nghiệp. Em đã chọn đề tài" Sự hấp thụ ánh sáng trong môi trường dung dịch và thuỷ tinh dân dụng " để hiểu sâu sắc hơn tính chất hạt của ánh sáng cũng như một số hiện tượng xung quanh tính chất này. Để gắn kết quả nghiên cứu với thực tế cuốc sống nên đối tượng nghiên cứu đã được chọn là môi trường thuỷ tinh dân dụng và dung dịch CuS0 4 . Hồi phục và hoàn thiện máy quang phổ nhất là bộ phận phân tích tín hiệu đã được xác định là một nhiệm vụ quan trọng để dẫn đến các kết quả thực nghiệm. - 2 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m MỤC LỤC Chương I. Sự hấp thụ ánh sáng 1.1. Sự hấp thụ ánh sáng 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch 1.3. Sự hấp thụ ánh sáng của màng mỏng 1.4. Sự tương tác của bức xạ hồng ngoại với các môi trường. Chương II. Một số vấn đề về kỹ thuật hồng ngoại 2.1. Bức xạ hồng ngoại của các vật 2.2. Các nguồn bức xạ hồng ngoại 2.3. Các đại lượng trắc quang Chương III. Máy phân tích quang phổ Sfectrocolerimeter 3.1. Máy phân tích quang phổ 3.2. Cấu tạo chung của máy phân tích quang phổ. 3.3. Khả năng tán sắc của cách tử và thấu kính. 3.4. Năng suất phân giải của máy quang phổ cách tử. 3.5. Máy phân tích quang phổ Sfectrocolerimeter Chương IV. Đối tượng, phương pháp nghiên cứu và thảo luận kết quả. 4.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu. 4.2. Chuẩn bị máy phân tích quang phổ. 4.3. Kết quả thí nghiệmvà thảo luận - 3 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m CHƯƠNG I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1.1. Sự hấp thụ ánh sáng. a. Định luật Bouger. Giả sử một chùm sáng đơn sắc song song rọi vuông góc vào một lớp môi trường giới hạn bởi hai mặt phẳng song song, cách nhau một khoảng l. dx i x i- di I 0 I l Hình 1. Sự hấp thụ ánh sáng của môi trường. Một phần năng lượng của ánh sáng bị phản xạ ở hai mặt giới hạn. Một phần năng lượng truyền qua môi trường, phần còn lại bị môi trường hấp thụ và chuyển sang dạng khác thường là nhiệt năng. Như vậy bất kỳ một môi trường nào cũng Ýt nhiều hấp thụ ánh sáng. Để mô tả định lượng hiện tượng hấp thụ ánh sáng chúng ta xét một lớp môi trường có độ dày dx, cách mặt vào của ánh sáng một khoảng là x. Gọi i là cường độ chùm sáng khi vào lớp dx và i- dx là cường độ sáng khi ra khái dx. Ta có độ giảm cường độ sáng di của cường độ chùm sáng là tỉ lệ với i và với độ dày dx của lớp môi trường mà ánh sáng truyền qua. - 4 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m - dx= kidx ( k: hệ số tỉ lệ – hệ số hấp thụ) Bá qua phần ánh sáng phản xạ và tán xạ. Gọi I 0 và I là cường độ chùm sáng trước và sau khi qua toàn bộ môi trường ta có. Vậy độ dày của lớp môi trường tăng theo cấp số cộng, cường độ sáng giảm theo cấp số nhân. b. Sự hấp thụ lọc lựa. Một sè Ýt chất có hệ số hấp thụ k Ýt thay đổi theo bước sóng ánh sáng. Đó là các chất hấp thụ không lọc lựa. Phần lớn chất trong suốt gặp trong thực tế có hệ số k biến thiên theo bước sóng. Ta có nhóm các chất hấp thụ lọc lựa. Muốn khảo sát sự biến thiên của k theo bước sóng có thể dùng máy quang phổ. 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch và chất rắn. Phổ hấp thụ của chất rắn và chất lỏng bao giờ cũng chứa những dải hấp thụ rộng. Bức xạ bị hấp thụ rộng có bước sóng biến thiên một cách liên tục trong cả một miền quang phổ từ λ 1 → λ 2 và trong khoảng Êy hệ số k biến thiên một cách liên tục. ∆λ = λ 2 - λ 1 : độ rộng của dải hấp thô. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch phụ thuộc vào các yếu tố sau. Nồng độ dung dịch Bề dày dung dịch Cường độ chùm sáng chiếu tới Định luật Bouger- Beer. - 5 - di = - kdx i 0 ∫ I di = - o ∫ l kdx ⇒ I= I 0 e - kl ( 1) i LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m Khi hoà tan một chất hấp thụ trong một chất lỏng trong suốt, thì dung dịch trở thành môi trường hấp thụ định luật Bouger vẫn được nghiệm đúng. Tuy nhiên, trong trường hợp môi trường là dung dịch, hệ số hấp thụ tăng theo nồng độ C của dung dịch. Đặt k= α c (2) ( α là hệ số tỷ lệ đặc trưng cho chất hoà tan, không phụ thuộc vào nồng độ dung dịch) Thay (2) vào (1) ta có. I= I 0 e - α cl (3) Định luật này chứng tỏ rằng độ hấp thụ của một chất tỉ lệ với khối lượng môi trường mà ánh sáng đi qua, tức là tỉ lệ với số phân tử hấp thụ trên đơn vị độ dài đường truyền ánh sáng. Khả năng hấp thụ của một phân tử không phụ thuộc vào các phần tử xung quanh( Điều này chỉ đúng cho dung dịch loãng) khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, tương tác giữa các phần tử càng mạnh và ta thấy có nhiều sai lệch đối với định luật. Ngoài ra hệ số α không những phụ thuộc vào chất hoà tan, mà còn phụ thuộc vào tính chất của dung môi ( chứng tỏ tương tác giữa các phân tử của dung môi và chất hoà tan cũng ảnh hưởng tới độ hấp thụ của chất hoà tan), cường độ bức xạ chiếu tới. 1.3. Sự hấp thụ ánh sáng của chất khí. Phổ hấp thụ của chất khí chứa những dải hẹp hơn nhiều, nhiệt độ và áp suất chất khí càng thấp thì dải hấp thụ càng hẹp. Có thể xem như chỉ chứa một bức xạ đơn sắc. Do đó với chất khí người ta thường gọi những dải hẹp Êy là vạch hấp thụ, khi tăng áp suất chất khí, vạch hấp thụ rộng dần, hai mép nhoè dần và dần dần có dáng như dải hấp thụ của chất lỏng. 1.4. Sự tương tác của bức xạ hồng ngoại với các môi trường. Ta xét sự tương tác của bức xạ hồng ngoại đối với dung dịch. - 6 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m Ở trạng thái bão hoà các phần tử được liên kết chặt chẽ với nhau và chúng đều ở mức năng lượng là E 0. Khi bị kích thích bằng năng lượng của bức xạ hồng ngoại. Các phần tử tách khỏi nhau và chuyển động theo dòng. Các phần tử này từ mức năng lượng E 0 nhận năng lượng của bức xạ hồng ngoại nhảy lên mức năng lượng E 1, E 2 E n xảy ra hiện tượng hấp thụ ánh sáng của dung dịch. Ta xét sự tương tác của bức xạ hồng ngoại đối với màng mỏng: Ở trạng thái cân bằng các điển tử dao động xung quanh nút mạng và được liên kết chặt chẽ với nhau, các điện tử này đều ở mức năng lượng E 0 . Khi chiếu ánh sáng kích thích vào thì các điện tử dao động mạnh và tách ra khỏi mối liên kết để trở thành các điện tử tự do. Như vậy các điện tử từ mức năng lượng E 0 đã nhận năng lượng kích thích của bức xạ hồng ngoại để nhảy lên mức năng lượng E 1 , E 2 E n . xảy ra hiện tượng hấp thụ ánh sáng - 7 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m CHƯƠNG II: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI. 2.1: Bức xạ hồng ngoại của các vật. Các nguồn bức xạ hồng ngoại thường gắp như: Mặt trời, hồ quang điện cực than, đèn đốt nóng, thanh silic( bét cacbua silic được nén chặt và đốt nóng đến 1400k bởi dòng điện), ống bằng gốm (đốt nóng đến 700k), các vật có nhiệt độ dưới 500 0 C hầu như đều có bức xạ hồng ngoại, thân thể người( 36,7 0 C) phát ra bức xạ hồng ngoại tập hợp nhiều tần số. Máy thu bức xạ hồng ngoại như pin nhiệt điện, tế bào quang điện, quang trở, kính ảnh. Máy thu nhiệt( là máy phân tích chúng nghi chép lại toàn bộ năng lượng bị hấp thụ) thường thì chúng có tính lọc lựa. Cơ chế của sự tạo thành bức xạ hồng ngoại có thể được giải thích như sau: Khi vật được nung nóng, năng lượng của chuyển động nhiệt sẽ biến thành nội năng khi các hạt va chạm với nhau năng lượng của chúng tăng chủ yếu là nhờ năng lượng của chuyển động quay và chuyển động kiểu dao động. Nghĩa là các hạt bị kích thích. Các nguyên tử và phân tử bị kích thích chúng phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ trước khi chúng chuyển về trạng thái không kích thích. Muốn cho vật tiếp tục phát xạ với cường độ như trước cấn phải cung cấp cho nó từ một nguồn bên ngoài( ví dụ trực tiếp như nung nóng bằng truyền nhiệt) khi đó các nguyên tử và phân tử sau khi hấp thụ năng lượng của chuyển động nhiệt lại chuyển lên trạng thái kích thích, để rồi lại quay về trạng thái bình thường và phát ra sóng điện từ. Nếu độ giảm năng lượng của một vật vì bức xạ sóng điện từ trong đơn vị thời gian bằng năng lượng hấp thụ từ bên ngoài trong thời gian đó thì nhiệt độ của - 8 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m vật giữ không thay đổi. Bức xạ trên là bức xạ nhiệt và bản chất của nó là sóng điện từ. Bức xạ này xảy ra ở một nhiệt độ của vật khác với độ không tuyệt đối. 2.2. Các đại lượng trắc quang. 2.2.1: Hàm độ nhạy: V λ 1 và V λ 2 của mắt người đối với hai chùm sáng( hầu như đơn sắc nằm trong cùng một khoảng nhỏ dλ lân cận hai bước sóng tương đương nhau là λ 1 và λ 2 ) tỉ lệ nghịch với công suất dw 1 và dw 2 . Để gây lên cùng một cảm giác sáng như nhau phải thoả mãn điều kiện: Vλ 1 = dw λ 1 Vλ 2 dw λ 2 Đối với mỗi ánh sáng đơn sắc khác nhau, mắt người nhạy bén với mỗi ánh sáng khác nhau là khác nhau. Thường thì mắt người nhạy bén với ánh sáng màu lục hơn màu đỏ. Đối với một người: sự nhạy bén phụ thuộc vào điều kiện trong đó người Êy nhìn ánh sáng. lam tím chàm lam lục vàng lục vàng Da cam Hình 2. Đường cong biểu diễn độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng đơn sắc. 2.2.2. Quang thông: Là đại lượng vật lý được biểu diễn dưới hai dạng. 1. Quang thông toàn phần của nguồn 2. Quang thông do nguồn gửi đến một diện tích nào đó. - 9 - LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn ThÞ Hång T©m Quang thông toàn phần của nguồn: là đại lượng vật lý về trị số bằng năng lượng toàn bộ ánh sáng thấy được do nguồn phát ra trong một đơn vị thời gian và được mắt người đánh giá. φ: Quang thông A: Năng lượng của toàn bộ ánh sáng do nguồn phát ra trong thời gian T T: Thời gian. Quang thông toàn phần càng lớn nguồn phát càng mạnh. Quang thông đặc trưng cho khả năng phát sóng của nguồn. Quang thông của một nguồn do tính chất và nhiệt độ của nguồn quyết định. Các dông cụ quang học không thể làm thay đổi quang thông toàn phần được, nó chỉ làm cho quang thông của nguồn phát ra theo phương này thì tăng lên, theo phương kia thì giảm xuống mà thôi. Quang thông của một nguồn gửi tới một diện tích dδ: là đại lượng vật lý về trị số năng lượng ánh sáng thấy được do nguồn gửi tới diện tích đó trong một đơn vị thời gian và được mắt người đánh giá. dA: năng lượng của phần ánh sáng gửi tới diện tích đó T: Thời gian - 10 - φ = A T dφ = dA T ds [...]... văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm I/I0Max 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 400 500 600 700 Hỡnh 8 Ph thụng quang ca quang tr SdS 800 (mm) Nhn xột: Di quang thụng c ly trong khong (535- 700A0) 2.1 Ph thụng quang ca Kuivet khi cha cú dung dch Bng 2 S ph thuc ca thụng quang ca Kuivet khi cha cú dung dch v bc súng ỏnh sỏng ti I I0 Max 310 320 330 340 350 360 370 0.12 0.13 0.14 0.15 0.17 0.18 0.195... kiuvet c ly trong khong (490- 710A0 ) - Di thụng quang ca kớnh xanh lc ly trong khong(690- 780A0 ) 2.3 .Dung dch CuS04 Bng 4 S ph thuc ca thụng quang vo nng dung dch CuS04 - 28 - Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm I/I0 1 %CuS04 I/I0 100% 0.72 75% 0.79 0.9 50% 0.86 0.8 25% 0.91 12.5% 0.9 6.25% 1 1 2 0.5 400 500 600 700 800 (A0) 1 0.7 0.6 6.25% 12.5% 25% 50% 75% 100% Hỡnh 10.1.H s hp th ca dung dch... ph thuc ca thụng quang ca kớnh xanh lc vo bc súng ỏnh sỏng ti I/I0Max I0Max 670 0 680 0.26 690 0.65 700 0.87 710 1 720 0.87 730 0.48 740 0.65 750 0.39 760 0.26 770 0 1 0.9 0.8 0.7 2 0.6 0.5 1 0.4 - 27 - Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm 0.3 0.2 0.1 300 400 500 600 700 800 (A0) Hỡnh 9.1 Ph thụng quang ca kiuvet khi cha cú dung dch 9.2 Ph thụng quang ca Kớnh xanh lc Nhn xột: - Di thụng quang... khụng quỏ 10% Di ph lm vic ca mỏy c ly da vo ph thụng quang ca quang tr CdS Tớn hiu ly t quang tr c a vo mch khuych i( h s khych Nguồn sáng i c 40 ln) trc khi a n in k S thớ nghim c b trớ nh sau: Trống lấy sáng - 22 - B khuych i Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm L1 L2 Kớnh (dung dch) Mỏy thu tớn hiu Mỏy quang ph Hỡnh 7 S thc nghim o ph hp th ca dung dch v kớnh dõn dng Do nhy v tớnh n nh ca... 6.25% 12.5% 25% 50% 75% 100% Hỡnh 10.1.H s hp th ca dung dch CuS04 10.2 Ph thụng quang ca dung dch CuS04- 50% Nhn xột: - Dung dch CuS04 c coi l mt phin lc sỏng tt cho vựng ph hng ngoi n mu lc nng 50% - 29 - Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm 3.Cỏc loi kớnh dõn dng 3.1.Kớnh trng (d= 4.2cm) Bng 5 Bng di thụng quang ca kớnh thu tinh (d= 4.2cm) 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620... tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm 2.2.3 Cng sỏng: Cng sỏng ca mt ngun theo mt phng no ú l i lng vt lý v tr s bng quang thụng ca ngun gi i trong mt n v gúc khi nm theo phng ấy I: Cng sỏng ( cd) d I = d d: Quang thụng d: Gúc khi 2.2.4 trng: trng ca ngun khi l i lng vt lý v tr s bng quang thụng ton phn do mt n v din tớch ca ngun ú phỏt ra R = d ds trng cng mnh thỡ mt ds phỏt sỏng cng mnh 2.2.5 chói:... Nguyễn Thị Hồng Tâm Hỡnh 6 S nguyờn lý mỏy Sfectrocolerimeter CHNG IV: I TNG- PHNG PHP NGHIấN CU V THO LUN KT QU 4.1 i tng nghiờn cu - Dung dch CuS04 - Cỏc loi kớnh nh c bn trờn th trng 4.2 Chun b mu nghiờn cu v cỏc thit b cn thit o s hp th ỏnh sỏng ca dung dch CuS04 - Dung dch CuS04 bóo ho 100 ml - Nc ct - Kui vet, hai thu kớnh hi t 50 p - Kớnh lc sc: vng, xanh lc, - 21 - Luận văn tốt nghiệp Nguyễn... 0.41 0.31 0.28 0.2 0.1 0.06 0 - 30 - I IMax Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 300 400 500 600 700 800 (A0) Hỡnh 11: Di thụng quang ca kớnh trng d= 4.2 cm Nhn xột: Di thụng quang ca kớnh trng c ly trong khong (540- 680)A0 * Bng h s hp th ca kớnh trng (d= 2.85cm)s Bng 5 - 31 - Luận văn tốt nghiệp k 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630... 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 1 0.9 0.8 - 34 - I IMax Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Hồng Tâm 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 300 400 500 600 700 800 Hỡnh 13: Di thụng quang ca kớnh trng d= 2.85cm Nhn xột: Di thụng quang c ly trong khong (530- 680)A0 Bng 7: s ph thuc ca h s hp th vo bc súng - 35 - Luận văn tốt nghiệp 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660... qua 0 s hi t ti cỏc im khỏc nhau trờn A Mi chựm cho ta mt nh tht v n sc qua khe F Vy trờn kớnh nh ta chp c mt dóy nh phõn bit ca F Mi nh l mt vch quang ph Trong quang hc súng ngi ta chng minh c rng mi vch quang ph ng vi mt bc súng hon ton cú th o c Trong thc t ngoi 3 b phn chớnh trờn, mỏy quang ph cũn cú thờm mt s b phn ph nhm giỳp cho vic ng dng c thun tin Khi s dng mỏy quang ph iu rt quan trng l phi . LỤC Chương I. Sự hấp thụ ánh sáng 1.1. Sự hấp thụ ánh sáng 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch 1.3. Sự hấp thụ ánh sáng của màng mỏng 1.4. Sự tương tác của bức xạ hồng ngoại với các môi trường. Chương. vậy trong quá trình làm khoá luận tốt nghiệp. Em đã chọn đề tài" Sự hấp thụ ánh sáng trong môi trường dung dịch và thuỷ tinh dân dụng " để hiểu sâu sắc hơn tính chất hạt của ánh sáng. chất hấp thụ trong một chất lỏng trong suốt, thì dung dịch trở thành môi trường hấp thụ định luật Bouger vẫn được nghiệm đúng. Tuy nhiên, trong trường hợp môi trường là dung dịch, hệ số hấp thụ