Кіріспе

Жарық интенсивтілігін өлшейтін құрал – фотометр – ультракүлгін сәуледен инфрақызыл сәулеге дейінгі, соның ішінде көрінетін спектрдегі электромагниттік сәулеленудің күшін өлшейтін құрал. Көптеген фотометрлер фоторезистор, фотодиод немесе фотомультипликаторды пайдаланып, жарықты электр тогына түрлендіреді. Фотометрлер мыналарды өлшейді:
Жарықтандыру
Сәулелену
Жарық сіңіру
Жарық шашырауы
Жарықтандыру
Флуоресценция
Фосфоресценция
Люминесценция

Тарихи тұрғыдан алғанда, фотометрия бағалау арқылы жүргізілді, сәулелену көзінің жарық ағыны стандартты көзбен салыстырылды. 19 ғасырға қарай, кең таралған фотометрлерге Рэмфорд фотометрі кірді, ол әртүрлі жарық көздерінен түсетін көлеңкелердің тереңдігін салыстырды, және Ричи фотометрі, ол беттердің тең жарықтандырылуына сүйенді. Тағы бір түрі көлеңкелердің жоғалуына негізделген. Қазіргі фотометрлер жарықты анықтау үшін фоторезисторларды, фотодиодтарды немесе фотомультипликаторларды пайдаланады. Кейбір модельдерде фотон санау, яғни жарықты жеке фотондарды санау арқылы өлшеу қолданылады. Олар сәулелену деңгейі төмен аймақтарда ерекше пайдалы. Фотометрлердің қолданылу саласы кең: фотографияда дұрыс экспозицияны анықтау, ал ғылымда – ерітіндідегі заттардың концентрациясын есептеу үшін сіңіру спектроскопиясында, заттардың құрылымын зерттеу үшін инфрақызыл спектроскопияда және ерітіндідегі металдардың концентрациясын анықтау үшін атомдық сіңіру спектроскопиясында қолданылады.

Тарих

Электрлік жарыққа сезімтал элементтер ойлап табылғанға дейін, фотометрия көзбен бағалау арқылы жүргізілді. Жарық көзінің салыстырмалы жарық ағыны стандартты жарық көзімен салыстырылды. Фотометр зерттеліп отырған көзден түсетін жарық стандартты көзден түсетін жарыққа тең болуы үшін орналастырылады, себебі адам көзі жарықтың бірдей деңгейін анықтай алады. Содан кейін, жарық ағыны қашықтықтың квадратына кері пропорционалды түрде кемитіні ескеріле отырып, салыстырмалы жарық ағындарын есептеуге болады. Мұндай фотометрдің классикалық мысалы – май дағы бар қағаз, ол қағазды сәл мөлдір етеді. Егер дақ екі жағынан да көрінбесе, екі жақтың жарықтылығы бірдей болады. 1861 жылға қарай үш түрі кеңінен қолданысқа енген. Олар – Рэмфорд фотометрі, Ричи фотометрі және көлеңкенің жоғалуын пайдаланатын фотометрлер, олар ең дәл деп есептелді.

Рамфорд фотометрі

Рэмфордтың фотометрі (көлеңке фотометрі деп те аталады) жарық күші жоғары болса, көлеңкесі де терең болады деген қағидаға негізделген. Салыстырылатын екі жарық көзінен қағазға көлеңке түсірілді. Егер көлеңкелердің тереңдігі бірдей болса, жарықтардың арақашықтығының айырмасы олардың қарқындылығының айырмасын көрсетеді (мысалы, екі есе алысқа орналасқан жарық, қарқындылығы төрт есе артық болады).

Ричидің фотометрі

Ричидің фотометрі беттердің тең жарықтандырылуына негіделген. Ол (а, б) алты немесе сегіз дюйм ұзындығы, ені мен тереңдігі бірдей болатын қораптан тұрады. Ортасында ағаштан жасалған (f,e,g) кене жоғары бұрышталып, ақ қағазбен жабылған. Пайдаланушының көзі қораптың үстіңгі жағындағы түтік (d) арқылы қарады. Аппараттың биіктігі де тұрақ (c) арқылы реттелді. Салыстырылатын жарықтар қораптың қабырғасында (m, n) орналастырылды – олар қағаз беттерін жарықтандырып, көз екі бетті бірден көре алатын етіп жасалған. Жарықтардың орнын өзгерту арқылы екі бетті де тең жарықпен жарықтандыруға болады, ал жарықтың күшіндегі айырмашылық қашықтық айырмашылығының квадратына пропорционал.

Көлеңкелерді жою әдісі

Бұл типтегі фотометр жарық егер жарық түспейтін заттың көлеңкесін ақ экранға түсірсе, онда белгілі бір қашықтықта екінші жарық қойылғанда көлеңке толығымен жойылатынына негізделген.

Фотометрлердің принципі

Көптеген фотометрлер жарықты фоторезисторлар, фотодиодтар немесе фотомультипликаторлар арқылы сезеді. Жарықты талдау үшін фотометр, оны сүзгіден немесе монохроматордан өткізіп, белгілі толқын ұзындықтарында өлшеуі немесе жарықтың спектральдік таралуын талдауы мүмкін.

Фотондарды санау

Кейбір фотометрлер жарықты кіретін ағын емес, жеке фотондарды санау арқылы өлшейді. Жұмыс істеу принциптері бірдей, бірақ нәтижелер Вт/см² немесе Вт·см⁻²·ср⁻¹ емес, фотон/см² немесе фотон·см⁻²·ср⁻¹ сияқты бірліктерде беріледі. Жеке фотондарды санау мүмкіндігіне байланысты, мұндай құралдар төмен сәулелену жағдайындағы бақылаулармен шектеледі. Сәулелену деңгейі оған сәйкес детектордың электрондық оқу құрылғысының уақыт шешімімен шектеледі. Қазіргі технология бойынша бұл мегагерц диапазонында. Максималды сәулелену деңгейі детектордың өзінің өткізу қабілеті және күшейту параметрлерімен де шектеледі. NIR, көрінетін және ультракүлгін толқын ұзындықтарындағы фотондарды санау құрылғыларындағы жарықты сезетін элемент, жеткілікті сезімталдыққа қол жеткізу үшін фотокөбейтуші болып табылады. Әуе және ғарыш негізді қашықтан зондтауда мұндай фотон есептегіштері электромагниттік спектрдің жоғарғы шегінде, мысалы, рентген сәулелерінен ультракүлгінге дейін қолданылады. Бұл әдетте өлшенетін нысандардың сәулелену қарқындылығының төмендігіне және жоғары энергиядағы жарықты өлшеудің қиындығына байланысты, себебі оны толқындық емес, бөлшектік қасиеттерін пайдалану арқылы өлшеуге тура келеді. Керісінше, радиометрлер көрінетін, инфрақызыл және радиожиілік диапазондарындағы қашықтан зондтау үшін көбінесе қолданылады.

Фотография

Фотометрлер фотосуретке түсіру кезінде дұрыс экспозицияны анықтау үшін қолданылады. Қазіргі заманғы камераларда фотометр көбінесе кіріктірілген. Суреттің әртүрлі бөліктерінің жарықтылығы өзгеше болғандықтан, жетілдірілген фотометрлер болашақ суреттің әртүрлі бөліктеріндегі жарық қарқындылығын өлшейді және соңғы сурет үшін ең қолайлы экспозицияны анықтау үшін алгоритмді пайдаланады, алгоритмді түсірілмекші сурет түріне бейімдейді (өлшеу режимі). Тарихи тұрғыдан алғанда, фотометр камерадан бөлек болған және экспозиция өлшегіші деп аталған. Бұрынғы жетілдірілген фотометрлерді болашақ суреттен жарықты тұтас өлшеу үшін, суреттің ең маңызды бөліктерінің оптималды түрде экспонирленгенін анықтау үшін немесе интеграциялық адаптермен көрініске түсетін жарықты өлшеу үшін қолдануға болады.

Көрінетін жарықтың шағылысу фотометриясы

Рефлекциялық фотометр беттің толқын ұзындығына қарай шағылысуын өлшейді. Бет ақ жарықпен жарықтандырылады, ал шағылған жарық монохроматордан өткен соң өлшенеді. Бұл типтегі өлшем көбінесе практикалық қолданысқа ие, мысалы, бояу өнеркәсібінде беттің түсін объективті түрде сипаттау үшін пайдаланылады.

УФ және көрінетін жарық өткізгіш фотометрия

Бұл - белгілі бір толқын ұзындығы (немесе толқын ұзындығы диапазоны) бар ерітіндідегі түсті заттардың жарық сіңіруін өлшейтін оптикалық құралдар. Жарық сіңіруден Бер заңы бойынша ерітіндідегі түсті заттың концентрациясын есептеуге болады. Көп салалы қолданылуы, сенімділігі және беріктігінің арқасында фотометр биохимия және аналитикалық химиядағы басты құралдардың біріне айналды. Сулы ерітіндіде жұмыс істейтін сіңіру фотометрлері ультракүлгін және көрінетін спектрде, 240 нм шамасындағы толқын ұзындығынан бастап 750 нм дейін жұмыс істейді. Спектрофотометрлер мен сүзгі фотометрлерінің жұмыс принципі (мүмкіндігінше) монохроматикалық жарықты, ерітіндісі бар оптикалық тегіс терезелері бар ыдысқа (клеткаға) өткізу болып табылады. Содан кейін жарық детекторына жетеді, ол жарықтың қарқындылығын сол еріткішпен, бірақ түсті затсыз бірдей жасушадан өткеннен кейінгі қарқындылықпен салыстырады. Жарық қарқындылықтарының арақатынасынан, түсті заттың жарық сіңіру қабілетін (түсті заттың сіңіру шамасы немесе түсті заттың молекулаларының берілген толқын ұзындығындағы фотон қимасының ауданы) білген кезде, Бер заңы арқылы заттың концентрациясын есептеуге болады. Фотометрлердің екі түрі қолданылады: спектрофотометр және сүзгі фотометр. Спектрофотометрлерде монохроматизатор (призмамен немесе дифракциялық тормен) белгілі бір толқын ұзындығы бар монохроматикалық жарық алу үшін қолданылады. Сүзгі фотометрлерінде монохроматикалық жарық беру үшін оптикалық сүзгілер қолданылады. Спектрофотометрлерді осылайша әр түрлі толқын ұзындықтарында сіңіруді өлшеуге оңай реттеуге болады, сондай-ақ сіңіретін заттың спектрін сканерлеу үшін де пайдалануға болады. Олар осылайша сүзгі фотометрлеріне қарағанда икемдірек, сонымен қатар талдау жарығының оптикалық тазалығын жоғарылатады, сондықтан олар зерттеу мақсатында жиі қолданылады. Сүзгі фотометрлері арзан, берік және пайдалануға оңай, сондықтан оларды күнделікті талдау үшін қолданады. Микротитрлік пластиналарға арналған фотометрлер – сүзгі фотометрлері.

Инфрақызыл жарық беру фотометриясы

Инфрақызыл сәуледегі спектрофотометрия негізінен заттардың құрылымын зерттеу үшін қолданылады, өйткені белгілі бір функционалдық топтар нақты толқын ұзындықтарында сіңіруге түседі. Сулы ерітіндіде өлшеу көбінесе мүмкін емес, себебі су инфрақызыл сәуленің кейбір толқын ұзындықтарын күшті сіңіреді. Сондықтан инфрақызыл спектроскопиясы газ тәрізді күйде (ұшқыш заттар үшін) немесе заттарды инфрақызыл сәуледе мөлдір болатын тұздармен араластырып, таблетка түрінде жасау арқылы жүргізіледі. Бұл мақсатта калий бромиді (KBr) жиі қолданылады. Зерттелетін затты арнайы тазартылған KBr-мен мұқият араластырып, жарық шоғына қойылатын мөлдір таблеткаға сығып алады. Толқын ұзындығына тәуелділікті талдау әдетте UV-Vis сияқты монохроматорды пайдалану емес, интерферометрді қолдану арқылы жасалады. Интерференциялық суретті Фурье түрлендіру алгоритмі арқылы талдауға болады. Бұл әдіс толқын ұзындығының барлық диапазонын бірден талдауға мүмкіндік береді, уақытты үнемдейді және интерферометр монохроматордан арзан. Инфрақызыл аймақта сіңірілген жарық зерттелетін заттың электрондық емес, тербелістік қоздырылуына байланысты. Тербелістік қоздырылулар молекуладағы әртүрлі функционалдық топтарға тән, осы арқылы оларды анықтауға болады. Инфрақызыл спектрде әдетте өте тар сіңіру жолдары болады, бұл оларды сандық талдау үшін қолайсыз етеді, бірақ молекула туралы толыққанды мәліметтер береді. Тербеліс режимдерінің жиілігі изотопқа байланысты өзгереді, сондықтан әртүрлі изотоптар әртүрлі шыңдарды көрсетеді. Бұл инфрақызыл спектрофотометриясымен сынаманың изотоптық құрамын зерттеуге де мүмкіндік береді.

Атомдық сіңіру фотометриясы

Атомдық сіңіру фотометрлері – өте ыстық жалыннан шығатын жарықты өлшейтін фотометрлер. Талдауға арналған ерітінді тұрақты, белгілі бір жылдамдықпен жалынға жіберіледі. Ерітіндідегі металдар жалында атомдық күйде болады. Осы типтегі фотометрдегі монохроматикалық жарық, металл анықталынатын газбен разряд болатын разрядтық шам арқылы жасалады. Разряд нәтижесінде металлдың спектрлік сызықтарына сәйкес келетін толқын ұзындығында жарық шығарылады. Талдауға алынатын металдың негізгі спектрлік сызықтарының біреуін бөліп алу үшін сүзгі қолданылуы мүмкін. Жарық жалындағы металлмен сіңіріледі, ал сіңіру бастапқы ерітіндідегі металл концентрациясын анықтау үшін пайдаланылады.