Фотометр

Фотометр — прибор , измеряющий силу электромагнитного излучения в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, включая видимый спектр. Большинство фотометров преобразуют свет в электрический ток с помощью фоторезистора , фотодиода или фотоумножителя .

Фотометры измеряют:

Исторически фотометрия выполнялась путем оценки, сравнивая световой поток источника со стандартным источником. К 19 веку распространенные фотометры включали фотометр Рамфорда, который сравнивал глубину теней, отбрасываемых различными источниками света, и фотометр Ричи, который полагался на равное освещение поверхностей. Другой тип был основан на угасании теней.

В современных фотометрах для обнаружения света используются фоторезисторы, фотодиоды или фотоумножители. Некоторые модели используют подсчет фотонов, измеряя свет путем подсчета отдельных фотонов. Они особенно полезны в районах с низкой освещенностью. Фотометры имеют широкое применение, включая фотографию, где они определяют правильную экспозицию, и науку, где они используются в абсорбционной спектроскопии для расчета концентрации веществ в растворе, инфракрасной спектроскопии для изучения структуры веществ и атомно-абсорбционной спектроскопии для определить концентрацию металлов в растворе.

История

До того, как были разработаны электронные светочувствительные элементы, фотометрия проводилась на глаз. Относительный световой поток источника сравнивался со стандартным источником. Фотометр размещают таким образом, чтобы освещенность исследуемого источника была равна освещенности стандартного источника, поскольку человеческий глаз может оценить равную освещенность. Затем можно рассчитать относительные световые потоки, поскольку освещенность уменьшается пропорционально обратному квадрату расстояния. Стандартный пример такого фотометра представляет собой лист бумаги с масляным пятном на нем, которое делает бумагу немного более прозрачной. Когда пятно не видно ни с одной стороны, освещенность с обеих сторон одинакова.

К 1861 году в обиходе были три типа. ^[1] Это были фотометр Румфорда, фотометр Ричи и фотометры, использующие гашение теней, считавшееся наиболее точным.

Фотометр Рамфорда

Фотометр Рамфорда (также называемый теневым фотометром) основывался на принципе, согласно которому более яркий свет отбрасывает более глубокую тень. Два сравниваемых источника света использовались для отбрасывания тени на бумагу. Если бы тени были одинаковой глубины, разница в расстоянии до источников света указывала бы на разницу в интенсивности (например, свет в два раза дальше будет иметь в четыре раза большую интенсивность).

Фотометр Ричи

Фотометр Ричи зависит от одинакового освещения поверхностей. Он состоит из коробки (а, б) длиной шесть или восемь дюймов и одной шириной и глубиной. В середине деревянный клин (f,e,g) был наклонен вверх и покрыт белой бумагой. Глаз пользователя смотрел через трубку (d) в верхней части коробки. Высоту аппарата также можно было регулировать с помощью подставки (с). Лампы для сравнения были расположены сбоку от коробки (m, n) и освещали поверхности бумаги так, что глаз видел обе поверхности одновременно. Изменяя положение огней, удалось добиться одинакового освещения обеих поверхностей, при этом разница в интенсивности соответствовала квадрату разницы расстояний.

Метод растушевки теней

Этот тип фотометра основывался на том факте, что если свет отбрасывает тень непрозрачного объекта на белый экран, существует определенное расстояние, на котором, если туда поднести второй свет, стираются все следы тени.

Принцип фотометров

Большинство фотометров обнаруживают свет с помощью фоторезисторов , фотодиодов или фотоумножителей . Для анализа света фотометр может измерять свет после того, как он прошел через фильтр или монохроматор для определения на определенных длинах волн или для анализа спектрального распределения света.

Подсчет фотонов

Некоторые фотометры измеряют свет, подсчитывая отдельные фотоны , а не входящий поток . Принципы работы те же, но результаты даются в таких единицах, как фотоны/см. ² или фотоны·см ⁻²·ср ⁻¹ а не Вт/см ² или Вт·см ⁻²·ср ⁻¹.

Из-за индивидуальной природы подсчета фотонов эти инструменты ограничены наблюдениями при низкой освещенности. Излучение ограничено временным разрешением связанной с ним электроники считывания детектора. При нынешних технологиях это находится в диапазоне мегагерц. Максимальная освещенность также ограничена пропускной способностью и параметрами усиления самого детектора.

Светочувствительный элемент в устройствах подсчета фотонов в ближнем ИК-, видимом и ультрафиолетовом диапазонах волн представляет собой фотоумножитель для достижения достаточной чувствительности.

В воздушном и космическом дистанционном зондировании такие счетчики фотонов используются в верхних пределах электромагнитного спектра, таких как рентгеновские лучи и дальний ультрафиолет . Обычно это происходит из-за более низкой интенсивности излучения измеряемых объектов, а также из-за сложности измерения света при более высоких энергиях с использованием его корпускулярной природы по сравнению с волновой природой света на более низких частотах. И наоборот, радиометры обычно используются для дистанционного зондирования в видимом , инфракрасном и радиочастотном диапазонах.

Фотография

Фотометры используются для определения правильной экспозиции при фотографии . В современных камерах фотометр обычно встроен. Поскольку освещенность разных частей изображения различается, усовершенствованные фотометры измеряют интенсивность света в разных частях потенциального изображения и используют алгоритм для определения наиболее подходящей экспозиции для конечного изображения. адаптация алгоритма к предполагаемому типу изображения (см. Режим замера экспозиции ). Исторически фотометр был отделен от камеры и назывался экспонометром . Усовершенствованные фотометры затем можно было бы использовать либо для измерения света потенциального изображения в целом, для измерения света отдельных элементов изображения, чтобы убедиться, что наиболее важные части изображения оптимально экспонированы, либо для измерения света, падающего на сцену. с интегрирующим адаптером.

Фотометрия отражения видимого света

Фотометр отражения измеряет отражательную способность поверхности как функцию длины волны. Поверхность освещают белым светом, а отраженный свет измеряют после прохождения через монохроматор. Этот тип измерения имеет в основном практическое применение, например, в лакокрасочной промышленности для объективной характеристики цвета поверхности.

Фотометрия пропускания ультрафиолетового и видимого света

Это оптические приборы для измерения поглощения света заданной длины волны (или заданного диапазона длин волн) окрашенных веществ в растворе. По поглощению света закон Бера позволяет рассчитать концентрацию окрашенного вещества в растворе. Благодаря широкому спектру применения, надежности и прочности фотометр стал одним из основных инструментов в биохимии и аналитической химии . Абсорбционные фотометры для работы в водных растворах работают в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, от длины волны около 240 нм до 750 нм.

Принцип работы спектрофотометров и фотометров с фильтрами заключается в том, что (насколько это возможно) монохроматический свет проходит через контейнер (ячейку) с оптически плоскими окнами, содержащими раствор. Затем он достигает фотодетектора, который измеряет интенсивность света по сравнению с интенсивностью после прохождения через идентичную ячейку с тем же растворителем, но без окрашенного вещества. Из соотношения интенсивностей света, зная способность окрашенного вещества поглощать свет (поглощающую способность окрашенного вещества, или площадь фотонного сечения молекул окрашенного вещества при данной длине волны), можно вычислить концентрацию вещества по закону Бера .

Используются фотометры двух типов: спектрофотометр и фотометр с фильтром . В спектрофотометрах монохроматор (с призмой или решеткой ) используется для получения монохроматического света одной определенной длины волны. В фотометрах с фильтрами для получения монохроматического света используются оптические фильтры. Таким образом, спектрофотометры можно легко настроить для измерения оптической плотности на разных длинах волн, а также их можно использовать для сканирования спектра поглощающего вещества. Таким образом, они более гибки, чем фотометры с фильтрами, а также обеспечивают более высокую оптическую чистоту анализирующего света и поэтому предпочтительно используются в исследовательских целях. Фотометры с фильтром дешевле, надежнее и проще в использовании, поэтому их используют для рутинного анализа. Фотометры для микротитровальных планшетов представляют собой фотометры с фильтрами.

Фотометрия пропускания инфракрасного света

Спектрофотометрия в инфракрасном свете в основном используется для изучения структуры веществ, поскольку данные группы дают поглощение при определенных длинах волн. Измерение в водном растворе обычно невозможно, поскольку вода сильно поглощает инфракрасное излучение в некоторых диапазонах длин волн. Поэтому ИК- спектроскопию проводят либо в газовой фазе (для летучих веществ), либо с прессованием веществ в таблетки вместе с солями, прозрачными в инфракрасном диапазоне. бромид калия Для этой цели обычно используется (KBr). Испытуемое вещество тщательно смешивают со специально очищенным KBr и прессуют в прозрачную таблетку, которую помещают под луч света. Анализ зависимости длины волны обычно проводится не с использованием монохроматора, как в УФ-Вид, а с использованием интерферометра . Интерференционную картину можно проанализировать с помощью преобразования Фурье алгоритма . Таким образом, весь диапазон длин волн можно анализировать одновременно, что экономит время, а интерферометр обходится дешевле, чем монохроматор. Свет, поглощаемый в инфракрасной области, соответствует не электронному возбуждению исследуемого вещества, а различным видам колебательного возбуждения. Колебательные возбуждения характерны для разных групп молекулы, которые можно таким образом идентифицировать. Инфракрасный спектр обычно имеет очень узкие линии поглощения, что делает их непригодными для количественного анализа, но дает очень подробную информацию о молекулах. Частоты различных мод колебаний различаются в зависимости от изотопа, поэтому разные изотопы дают разные пики. Это дает возможность также изучать изотопный состав образца методом инфракрасной спектрофотометрии.

Атомно-абсорбционная фотометрия

Атомно-абсорбционные фотометры — это фотометры, которые измеряют свет очень горячего пламени. Анализируемый раствор впрыскивается в пламя с постоянной и известной скоростью. Металлы в растворе присутствуют в пламени в атомарной форме. Монохроматический свет в фотометрах этого типа генерируется газоразрядной лампой, разряд в которой происходит в газе с определяемым металлом. Затем разряд излучает свет с длинами волн, соответствующими спектральным линиям металла. Фильтр можно использовать для выделения одной из основных спектральных линий анализируемого металла. Свет поглощается металлом в пламени, и по поглощению определяют концентрацию металла в исходном растворе.

См. также

Радиометрия
Рамановская спектроскопия
Фотодетектор – преобразователь, способный принимать оптический сигнал и генерировать электрический сигнал, содержащий ту же информацию, что и оптический сигнал.

Ссылки

^ Дрейпер, Джон Уильям (1861). Учебник по химии . Нью-Йорк: Харпер и братья. п. 78.

Статья частично основана на соответствующей статье в шведской Википедии.

[1] Дрейпер, Джон Уильям (1861). Учебник по химии . Нью-Йорк: Харпер и братья. п. 78.

[1]