Fotometr - Photometer

Fotometr stanowi urządzenie, które mierzy się wytrzymałość na działanie promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni i nadfioletu na tym widzialnym. Większość fotometrów przekształca światło w prąd elektryczny za pomocą fotorezystora , fotodiody lub fotopowielacza .

Fotometry mierzą:

• Oświetlenie
• Irradiance
• Absorpcja światła
• Rozpraszanie światła
• Odbicie światła
• Fluorescencja
• Fosforescencja
• Luminescencja

Historia

Zanim opracowano elektroniczne elementy światłoczułe, fotometrię wykonywano drogą oceny wzrokowej. Względny strumień świetlny źródła porównano ze źródłem standardowym. Fotometr jest umieszczony tak, aby natężenie oświetlenia ze źródła badanego było równe źródłu standardowemu, ponieważ oko ludzkie może ocenić równe natężenie oświetlenia. Względne strumienie świetlne można następnie obliczyć, gdy natężenie oświetlenia zmniejsza się proporcjonalnie do odwrotności kwadratu odległości. Standardowy przykład takiego fotometru składa się z kawałka papieru z plamą oleju, która sprawia, że ​​papier jest nieco bardziej przezroczysty. Gdy plamka nie jest widoczna z żadnej strony, natężenie oświetlenia z obu stron jest równe.

Do 1861 roku w powszechnym użyciu były trzy typy. Były to fotometr Rumforda, fotometr Ritchiego i fotometry wykorzystujące wygaszanie cieni, które uznano za najbardziej precyzyjne.

Fotometr Rumforda

Fotometr Rumforda (zwany także fotometrem cieni) opierał się na zasadzie, że jaśniejsze światło rzuca głębszy cień. Dwa porównywane światła rzucały cień na papier. Gdyby cienie miały tę samą głębokość, różnica odległości świateł wskazywałaby na różnicę w intensywności (np. Światło dwa razy większe byłoby czterokrotnie większe).

Fotometr Ritchiego

Fotometr Ritchiego polega na równym oświetleniu powierzchni. Składa się z pudełka (a, b) o długości sześciu lub ośmiu cali, szerokości i głębokości. Pośrodku drewniany klin (f, e, g) został zagięty do góry i przykryty białym papierem. Oko użytkownika patrzyło przez rurkę (d) na górze pudełka. Wysokość aparatu można było również regulować za pomocą podstawy (c). Porównywane światła umieszczono z boku pudełka (m, n) - które oświetlały papierowe powierzchnie, tak że oko widziało jednocześnie obie powierzchnie. Zmieniając położenie świateł, zmuszono je do równomiernego oświetlenia obu powierzchni, z różnicą natężenia odpowiadającą kwadratowi różnicy odległości.

Metoda wygaszania cieni

Ten typ fotometru polegał na tym, że jeśli światło rzuca cień nieprzezroczystego obiektu na biały ekran, istnieje pewna odległość, która, jeśli zostanie tam doprowadzone drugie światło, zatrze wszelkie ślady cienia.

Zasada działania fotometrów

Większość fotometrów wykrywa światło za pomocą fotorezystorów , fotodiod lub fotopowielaczy . Aby przeanalizować światło, fotometr może mierzyć światło po przejściu przez filtr lub monochromator w celu określenia przy określonych długościach fal lub analizy rozkładu widmowego światła.

Liczenie fotonów

Niektóre fotometry mierzą światło, zliczając pojedyncze fotony, a nie nadchodzący strumień . Zasady działania są takie same, ale wyniki podaje się w jednostkach, takich jak fotony / cm ² lub fotony · cm ⁻² · sr ^−1, a nie W / cm ² lub W · cm ⁻² · sr ⁻¹ .

Ze względu na ich indywidualny charakter liczenia fotonów, przyrządy te są ograniczone do obserwacji, w których irradiancja jest niska. Natężenie promieniowania jest ograniczone przez rozdzielczość czasową powiązanej elektroniki odczytującej detektor. Przy obecnej technologii jest to zakres megaherców. Maksymalne natężenie promieniowania jest również ograniczone przez przepustowość i parametry wzmocnienia samego detektora.

Element wykrywający światło w urządzeniach zliczających fotony w zakresie NIR, widzialnym i ultrafioletowym jest fotopowielaczem, aby osiągnąć wystarczającą czułość.

W teledetekcji powietrznej i kosmicznej takie liczniki fotonów są używane w górnym zakresie widma elektromagnetycznego, takiego jak promieniowanie rentgenowskie i dalekie ultrafioletowe . Wynika to zwykle z niższej intensywności promieniowania mierzonych obiektów, a także trudności w pomiarze światła przy wyższych energiach przy użyciu jego cząsteczkowej natury w porównaniu z falową naturą światła przy niższych częstotliwościach. Odwrotnie, radiometry są zwykle używane do teledetekcji z zakresu widzialnego , podczerwonego, ale z zakresu częstotliwości radiowych .

Fotografia

Fotometry służą do określania prawidłowej ekspozycji w fotografii . W nowoczesnych aparatach fotometr jest zwykle wbudowany. Ponieważ oświetlenie różnych części obrazu jest zmienne, zaawansowane fotometry mierzą natężenie światła w różnych częściach potencjalnego obrazu i wykorzystują algorytm do określenia najbardziej odpowiedniej ekspozycji dla końcowego obrazu, dostosowanie algorytmu do typu zamierzonego obrazu (patrz Tryb pomiaru ). Historycznie rzecz biorąc, fotometr był oddzielony od aparatu i nazywany miernikiem ekspozycji . Zaawansowane fotometry można następnie wykorzystać do pomiaru światła z potencjalnego obrazu jako całości, do pomiaru od elementów obrazu w celu upewnienia się, że najważniejsze części obrazu są optymalnie naświetlone, lub do pomiaru światła padającego na scenę z adapterem integrującym.

Fotometria odbicia światła widzialnego

Odbicia fotometr mierzy współczynnik odbicia powierzchni, jako funkcję długości fali. Powierzchnia jest oświetlana światłem białym, a światło odbite mierzone jest po przejściu przez monochromator. Ten rodzaj pomiaru ma głównie zastosowanie praktyczne, na przykład w przemyśle farbiarskim do obiektywnego scharakteryzowania koloru powierzchni.

Fotometria przepuszczalności światła UV i światła widzialnego

Są to przyrządy optyczne do pomiaru absorpcji światła o określonej długości fali (lub zadanym zakresie długości fal) substancji barwnych w roztworze. Na podstawie absorpcji światła prawo Beera umożliwia obliczenie stężenia substancji barwnej w roztworze. Ze względu na szeroki zakres zastosowań oraz niezawodność i wytrzymałość fotometr stał się jednym z podstawowych instrumentów w biochemii i chemii analitycznej . Fotometry absorpcyjne do pracy w roztworze wodnym pracują w zakresie ultrafioletowym i widzialnym, od długości fali około 240 nm do 750 nm.

Zasada działania spektrofotometrów i fotometrów z filtrem polega na tym, że (o ile to możliwe) światło monochromatyczne przepuszczane jest przez pojemnik (celę) z optycznie płaskimi okienkami zawierającymi roztwór. Następnie dociera do detektora światła, który mierzy intensywność światła w porównaniu z intensywnością po przejściu przez identyczną kuwetę z tym samym rozpuszczalnikiem, ale bez barwnej substancji. Ze stosunku między natężeniami światła, znając zdolność substancji barwnej do pochłaniania światła (chłonność substancji barwnej lub pole przekroju fotonu cząsteczek substancji barwnej przy danej długości fali) można obliczyć stężenie substancji zgodnie z prawem Beera .

Stosowane są dwa rodzaje fotometrów: spektrofotometr i fotometr z filtrem . W spektrofotometrach monochromator (z pryzmatem lub z siatką ) służy do uzyskania światła monochromatycznego o jednej określonej długości fali. W fotometrach z filtrem do uzyskania światła monochromatycznego stosuje się filtry optyczne. Spektrofotometry można więc łatwo ustawić do pomiaru absorbancji przy różnych długościach fal, a także można je wykorzystać do skanowania widma substancji absorbującej. Dzięki temu są bardziej elastyczne od fotometrów filtrujących, dają również wyższą czystość optyczną analizowanego światła, dlatego są preferowane do celów badawczych. Fotometry filtracyjne są tańsze, bardziej wydajne i łatwiejsze w obsłudze, dlatego są wykorzystywane do rutynowych analiz. Fotometry do płytek mikrotitracyjnych to fotometry filtracyjne.

Fotometria przepuszczalności światła podczerwonego

Spektrofotometria w świetle podczerwonym jest stosowana głównie do badania struktury substancji, ponieważ dane grupy dają absorpcję przy określonych długościach fal. Pomiar w roztworze wodnym na ogół nie jest możliwy, ponieważ woda silnie absorbuje światło podczerwone w niektórych zakresach długości fal. Dlatego spektroskopię w podczerwieni przeprowadza się albo w fazie gazowej (dla substancji lotnych), albo z substancjami sprasowanymi w tabletki razem z solami, które są przezroczyste w zakresie podczerwieni. W tym celu powszechnie stosuje się bromek potasu (KBr). Badaną substancję dokładnie miesza się ze specjalnie oczyszczonym KBr i prasuje w przezroczystą tabletkę, którą umieszcza się w wiązce światła. Analiza zależności długości fal na ogół nie jest wykonywana przy użyciu monochromatora, jak ma to miejsce w przypadku UV-Vis, ale przy użyciu interferometru . Wzorzec interferencji można analizować za pomocą algorytmu transformaty Fouriera . W ten sposób cały zakres długości fal może być analizowany jednocześnie, oszczędzając czas, a interferometr jest również tańszy niż monochromator. Światło pochłonięte w obszarze podczerwieni nie odpowiada wzbudzeniu elektronowemu badanej substancji, ale raczej różnym rodzajom wzbudzenia wibracyjnego. Wzbudzenia wibracyjne są charakterystyczne dla różnych grup w cząsteczce, które można w ten sposób zidentyfikować. Widmo w podczerwieni ma zwykle bardzo wąskie linie absorpcji, co czyni je nieodpowiednimi do analizy ilościowej, ale daje bardzo szczegółowe informacje o cząsteczkach. Częstotliwości różnych trybów drgań zmieniają się w zależności od izotopu, dlatego różne izotopy dają różne wartości szczytowe. Umożliwia to również badanie składu izotopowego próbki za pomocą spektrofotometrii w podczerwieni.

Fotometria absorpcji atomowej

Fotometry absorpcji atomowej to fotometry, które mierzą światło bardzo gorącego płomienia. Analizowany roztwór jest wtryskiwany do płomienia ze stałą, znaną szybkością. Metale w roztworze występują w płomieniu w postaci atomowej. Światło monochromatyczne w tego typu fotometrze jest generowane przez lampę wyładowczą, w której wyładowanie odbywa się w gazie z oznaczanym metalem. Wyładowanie emituje następnie światło o długościach fal odpowiadających liniom widmowym metalu. Do wyodrębnienia jednej z głównych linii widmowych metalu, który ma być analizowany, można użyć filtra. Światło jest pochłaniane przez metal w płomieniu, a absorpcja służy do określenia stężenia metalu w pierwotnym roztworze.

Zobacz też

• Radiometria
• Spektroskopia Ramana
• Fotodetektor - przetwornik zdolny do przyjmowania sygnału optycznego i wytwarzania sygnału elektrycznego zawierającego te same informacje, co w sygnale optycznym.

Bibliografia

Artykuł częściowo oparty na odpowiednim artykule w szwedzkiej Wikipedii