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

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 án

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

-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 CuS04

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

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

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

∆λ = λ2- λ1 : 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

= - kdxi

0∫I di = - o∫l

kdx ⇒ I= I0e- kl ( 1)i

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

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

-Ở trạng thái bão hoà các phần tử được liên kết chặt chẽ với nhau và chúng đều ở mức năng lượng là E0.

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 E0 nhận năng lượng của bức xạ hồng ngoại nhảy lên mức năng lượng E1, E2 En 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 E0 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 E0 đã nhận năng lượng kích thích của bức xạ hồng ngoại để nhảy lên mức năng lượng E1, E2 En xảy ra hiện tượng hấp thụ ánh sáng

7

-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 5000C hầu như đều có bức xạ hồng ngoại, thân thể người( 36,70C) 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

-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: Vλ1và Vλ2 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 λ1 và λ2) tỉ lệ nghịch với công suất dw 1 và dw2 Để gây lên cùng một cảm giác sáng như nhau phải thoả mãn điều kiện:

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

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

2.2.3 Cường độ sáng: Cường độ sáng của một nguồn theo một phương nào đó là

đại lượng vật lý về trị số bằng quang thông của nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối nằm theo phương Êy

B: Độ chói

dI: cường độ ánh sáng do diện tích ds phát ra theo một phương

dsn: là hình chiếu của diện tích

ds: trên mặt phẳng vuông góc với phương xét đơn vị độ chói: cd(cađele)

2.2.6 Độ Dọi.

Độ dọi E của bề mặt nào đó là đại lượng vật lý về trị số bằng quang thông toàn phần gửi tới một đơn vị diện tích của bề mặt Êy

đơn vị của độ dọi là Lx (Lux)

CHƯƠNG III MÁY PHÂN TÍCH QUANG PHỔ.

3.1 Máy phân tích quang phổ.

Máy phân tích quang phổ là dụng cụ để phan tán một chùm ánh sáng phức tạp thành nhiều chùm tia đơn sắc( tức là thành quang phổ, đồng thời để ghi lại quang phổ Êy)

Có rất nhiều loại máy, có tới vài chục loại, từ những cái lớn dài hàng 3-4m, nặng 1-2 tấn, đến những cái nhỏ, chỉ nặng vài kilogam, thậm chí có cái chỉ hơi lớn hơn bao thuốc lá, bỏ túi được Tuy khác nhau chỉ về kích thước nhưng chúng vẫn hoạt động theo một nguyên lý chung

3.2 Cấu tạo chung của máy quang phổ.

ống chuẩn trực: gồm một thấu kính hội tụ có khe hẹp F đặt tại hai tiêu điểm của thấu kính( khe hẹp F được chế tạo với độ chính xác rất cao, để có độ rộng thay đôỉ được từng phần nghìn milimet mét) Èng chuẩn trực có nhiệm vụ tạo ra một chùm sáng song song Ngoài ra người ta có thể thay thấu kính chuẩn trực bằng một gương cầu lõm.

Một hệ tán sắc Pi gồm một, hai hoặc ba lăng kính cùng đặt ở độ lệch cực tiểu Chùm sáng song song ra khỏi ống chuẩn trực, sau khi qua các lăng kính bị phân tích thành nhiều chùm tia đơn sắc song song, đi theo các phương khác nhau

Lăng kính được làm bằng thuỷ tinh, thạch anh hoặc tính thể một số muối kim loại Tuỳ theo miền quang phổ mà ta sử dụng Số lăng kính càng lớn các chùm sáng đơn sắc càng cách xa nhau việc khảo sát càng thuận lợi

Buồng tối k: là một hộp kín ánh sáng, một đầu là một thấu kính hội tụ tiêu sắc 0 ở đầu kia có một tấm kính ảnh (hoặc phim ảnh) A Đặt đúng đến mặt phẳng tiêu diện ảnh của 0 Các chùm sáng đơn sắc song song ở P đi ra sau khi qua 0 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên A Mỗi chùm cho ta một ảnh thật và đơn sắc qua khe F Vậy trên kính ảnh ta chụp được một dãy ảnh phân biệt của F Mỗi ảnh

là một vạch quang phổ Trong quang học sóng người ta chứng minh được rằng mỗi vạch quang phổ ứng với một bước sóng hoàn toàn có thể đo được

Trong thực tế ngoài 3 bộ phận chính trên, máy quang phổ còn có thêm một

số bộ phận phụ nhằm giúp cho việc ứng dụng đựơc thuận tiện Khi sử dụng máy quang phổ điều rất quan trọng là phải điều chỉnh ống chuẩn trực cho tâm khe F trùng đúng với tiêu điểm vật của thấu kính chuẩn trực và điều chỉnh buồng tối sao cho kÝnh ảnh nằm đúng trên mặt phẳng tiêu của thấu kính buồng tối Máy nào cũng có bộ phận thích hợp giúp ta thực hiện điều đó với độ chính xác đến 1/10

mm

Ngoài ra để phân tích với độ nhạy cao, cần tận dụng triệt để năng lượng sóng của nguồn Do đó, máy còn phải có thêm một hệ thống thấu kính đặt trước khe để hội tụ được nhiều ánh sáng qua khe vào các lăng kính và thấu kính

3.3.Khả năng tán sắc của cách tử và của lăng kính.

Một cách tử có bước sóng a được chiếu sáng vuông góc bằng một ánh sáng

đa sắc D(λ) là góc lệch ứng với bước sóng λ, hãy xác định năng suất tán sắc

13

-ở lân cận bước sóng λ theo bậc p và bước a.

Một lăng kính có góc đỉnh là α=450 được làm từ thuỷ tinh có chiết suất n phụ thuộc vào bước sóng λ theo đinh luật CAUCHY

Với những kí hiệu trên hình sau, đối với lăng kính có chiết suất n, ta có

D= θr- θi với θi= α và sinθr= nsinα

θi n nnn

tử phản xạ có số vạch trên một đơn vị độ dài nhỏ hơn nhưng làm việc ở bậc cao hơn

3.4 Năng suất phân giải của máy quang phổ cách tử.

a Định nghĩa năng suất phân giải.

Năng suất phân giải của máy quang phổ đặc trưng cho khả năng phân biệt hai vạch có bước sóng gần nhau Nếu ∆λ là khoảng cách phổ nhỏ nhất giữa hai vạch phân biệt được,có bước sóng sấp xỉ λ0 thì năng suất phân giải được định nghĩa như sau;

dD

=

2B

Ta thay thế cách tử 100 vạch/mm bằng một cách tử có bước sóng nhỏ hơn

và do đó tán sắc hơn( 500 hoặc 1000 vạch/mm) và quan sát phổ bậc 1

Khi đó vạch vàng được tách thành hai vạch Các bảng bước sóng biết rằng hai thành phần của vạch kép này có bước sóng là 577 nm và 579 nm

Phổ kế của ta có thể phân giải vạch kép này lên phải có năng suất phân giải lớn hơn 580/2.1≈300

Năng suất phân giải phụ thuộc vào cách tử và độ rộng của khe vào chỉ cần

mở rộng khe vào thì hai vạch ban đầu phân biệt được và không sáng lắm sẽ hoà vào nhau thành một vạch sáng hơn

Nếu ∆λ là khoảng cách phổ nhỏ nhất giữa hai bức xạ có bước sóng ≈λ0 , đo được bởi máy quang phổ thì theo định nghĩa năng suất phân giải của máy sẽ là:

Với một máy quang phổ cho trước, sự mở rộng khe vào làm tăng đô sáng của các vạch phổ nhưng làm giảm độ phân giải.

Người sử dụng máy quang phổ cần phải tìm cách nhân nhượng tốt nhất

giữa hai yêu cầu mâu thuẫn nhau: phổ đủ sáng và có độ phân giải cao Các loại máy quang phổ khác dựa trên nguyên lý phân tích giao thoa đều tránh được sự mâu thuẫn này

b Năng suất phân giải lý thuyết.

Định nghĩa năng suất phân giải lý thuyết: Ta xét bài toán như sau Nếu ta có

một nguồn sáng rất mạnh thì có thể chỉ cần dùng một khe rất hẹp Khi đó, giới hạn tận cùng của năng suất phân giải với một khe có độ rộng tiến tới không là bao nhiêu?

Muốn vậy, ta cần phải xác định độ rộng ∆θ của chùm tia nã trong bậc phổ cho trước đối với một sóng tới hoàn toàn phẳng và đơn sắc.

Biểu thức của năng suất phân giải lý thuyết:

Giả sử θi và λ là hoàn toàn xác định Vết bậc p trên màn quan sát của chùm

tia nó sẽ càng mảnh khi số vạch N của cách tử càng nhiều Nói chính xác hơn, nếu cường độ chùm tia nó cực đại đối với θ= θp thì nó sẽ triệt tiêu với hai giá trị rất gần θ sao cho:

sinθ= sinθp±∆(sin θ) với

Hệ thức này được suy ra trực tiếp từ cường độ nhiễu xạ qua cách tử

Tiếp theo, ta giả sử rằng θi là hoàn toàn xác định( khe vào vô cùng hẹp) và cách tử được chiếu sáng bởi hai bức xạ có bước sóng gần nhau:

Cường độ sáng khi đó sẽ là tổng hai hàm của θ được biểu diễn trên hình 4:Hình 4; tiêu chuẩn phân giải N=100, L=1cm,λ1=595nm,λ2=605nm Hai vạch là

Giá trị giới hạn tương ứng với năng suất phân giải lý thuyết R=pN

Các đường cong trên hình 23 cho ta thấy hai cường độ Iλ1(θ) và Iλ2(θ) cũng như tổng của chúng đối với các giá trị khác nhau của ∆λ Chúng có thể xem là phân giải được nếu như :

18

-λ0

<R

∆λ

c)

3.5 Máy phân tích quang phổ Sfectrocolerimeter.

Để đo độ hấp thụ của một chất đối với từng bước sóng một, người ta dùng một máy quang phổ hấp thô

Máy quang phổ hấp thụ có cấu tạo giống như máy quang phổ chung nhưng các bộ phận được bố trí hơi khác một chút để việc đo cường độ ánh sáng và việc thay đổi bước sóng được thuận tiện hơn

cds

cds M¹ch thu tÝn hiÖu CdS

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý máy Sfectrocolerimeter

CHƯƠNG IV: ĐỐI TƯỢNG- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ.

4.1 Đối tượng nghiên cứu.

- Dung dịch CuS04

- Các loại kính nhả ở cơ bản trên thị trường

4.2 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu và các thiết bị cần thiết.

Đo sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch CuS04

- Dung dịch CuS04 bão hoà 100 ml

- Nước cất

- Kui vet, hai thấu kính hội tụ 50 đp

- Kính lọc sắc: vàng, xanh lục, đỏ

21

-Trèng lÊy s¸ngNguån s¸ng

- Thiết bị thu tín hiệu ánh sáng truyền qua

Đo sự hấp thụ ánh sáng của quang trở

- Quang trở

- Máy quang phổ sfectrocolerimeter

- Một thấu kính hội tu 50 đp

Đo sự hấp thụ ánh sáng của các loại kính nhà ở cơ bản trên thị trường

( Gọi d là bề dày của kính)

Quang trở trên cơ sở CdS

Máy quang phổ Sfectrocolerimeter

2 thấu kính hội tụ 50 đp

4.3 Chuẩn định máy quang phổ

Trống lấy sáng của máy quang phổ được chuẩn định nhờ máy phát laser hồng ngoại Bước sóng của máy laser hồng ngoại λl = 0.6993 µm được điều chỉnh

so với vạch của trống lấy sáng sai số không quá 10%

Dải phổ làm việc của máy được lấy dựa vào phổ thông quang của quang trở CdS Tín hiệu lầy từ quang trở được đưa vào mạch khuyếch đại( hệ số khưyếch đại cỡ 40 lần) trước khi đưa đến điện kế

Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như sau:

Bộ khuyếch đại

22

L1 L2

Kính (dung dịch)

Máy thu tín hiệu

Máy quang phổ

Hình 7 Sơ đồ thực nghiệm đo phổ hấp thụ của dung dịch và kính dân dụng

Do độ nhạy và tính ổn định của máy thu tín hiệu quang trở CdS thấp nên khi làm thực nghiệm còn dùng(tương đương) quang trở trên cơ sở CdSe diện tích nhạy quang 2.0mm2, λmax= 0.64µm, Rtối= 2.0µΩ độ nhạy suất 20,00µΑ

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM- THẢO LUẬN

1 Phổ thông quang của quang trở CdS.

Bảng 1 Sự phụ thuộc của độ thông quang của quang trở CdS vào bước sóng ánh sáng tới

23

Hình 8 Phổ thông quang của quang trở SdSNhận xét:

Dải quang thông đựơc lấy trong khoảng (535- 700A0)

2.1 Phổ thông quang của Kuivet khi chưa có dung dịch.

Bảng 2 Sự phụ thuộc của độ thông quang của Kuivet khi chưa có dung dịch và

0.2 0.1

400 500 600 700 800 λ(mm)