Fotometr - Photometer

Fotometr

Fotometr je nástroj, který měří sílu elektromagnetického záření v rozmezí od ultrafialové do infračervené včetně viditelného spektra. Většina fotometrů převádí světlo na elektrický proud pomocí fotorezistoru , fotodiody nebo fotonásobiče .

Fotometry měří:

Dějiny

Před vývojem elektronických prvků citlivých na světlo byla fotometrie provedena odhadem okem. Relativní světelný tok zdroje byl porovnán se standardním zdrojem. Fotometr je umístěn tak, aby se intenzita světla ze zkoumaného zdroje rovnala standardnímu zdroji, protože lidské oko může posoudit stejnou intenzitu osvětlení. Relativní světelné toky lze poté vypočítat, protože intenzita úměrně klesá s inverzním čtvercem vzdálenosti. Standardní příklad takového fotometru se skládá z kusu papíru, na kterém je olejová skvrna, díky níž je papír o něco průhlednější. Pokud bod není viditelný z obou stran, je osvětlení ze dvou stran stejné.

Od roku 1861 byly tři typy běžně používány. Jednalo se o Rumfordův fotometr, Ritchieho fotometr a fotometry, které používaly vyhynutí stínů, což bylo považováno za nejpřesnější.

Rumfordův fotometr

Rumfordův fotometr

Rumfordův fotometr (nazývaný také stínový fotometr) závisel na principu, že jasnější světlo vrhá hlubší stín. Dvě srovnávaná světla byla použita k vržení stínu na papír. Pokud by stíny měly stejnou hloubku, rozdíl ve vzdálenosti světel by znamenal rozdíl v intenzitě (např. Světlo dvakrát tak daleko by bylo čtyřnásobek intenzity).

Ritchieho fotometr

Ritchieho fotometr

Ritchieho fotometr závisí na rovnoměrném osvětlení povrchů. Skládá se z krabice (a, b) dlouhé šest nebo osm palců a jedné do šířky a hloubky. Uprostřed byl nahoru nakloněn klín ze dřeva (f, e, g) a pokryt bílý papír. Oko uživatele se dívalo trubičkou (d) v horní části krabice. Výška přístroje byla také nastavitelná pomocí stojanu (c). Světla k porovnání byla umístěna na boku krabice (m, n) - která osvětlovala papírové povrchy tak, že oko vidělo oba povrchy najednou. Změnou polohy světel se dosáhlo rovnoměrného osvětlení obou povrchů, přičemž rozdíl v intenzitě odpovídá druhé mocnině rozdílu ve vzdálenosti.

Metoda vyhynutí stínů

Tento typ fotometru závisel na skutečnosti, že pokud světlo vrhá stín neprůhledného předmětu na bílé plátno, existuje určitá vzdálenost, která, pokud je tam přivedeno druhé světlo, vyhladí všechny stopy stínu.

Princip fotometrů

Většina fotometrů detekuje světlo pomocí fotorezistorů , fotodiod nebo fotonásobičů . K analýze světla může fotometr měřit světlo poté, co prošlo filtrem nebo monochromátorem, pro stanovení při definovaných vlnových délkách nebo pro analýzu spektrálního rozložení světla.

Počítání fotonů

Některé fotometry měří světlo spíše počítáním jednotlivých fotonů než přicházejícím tokem . Provozní principy jsou stejné, ale výsledky jsou uvedeny v jednotkách, jako jsou fotony / cm 2 nebo fotony · cm −2 · sr −1 místo W / cm 2 nebo W · cm −2 · sr −1 .

Vzhledem ke své individuální povaze počítání fotonů jsou tyto přístroje omezeny na pozorování, kde je nízká intenzita záření. Ozáření je omezeno časovým rozlišením přidružené čtecí elektroniky detektoru. Se současnou technologií je to v rozsahu megahertzů. Maximální ozáření je také omezeno parametry propustnosti a zisku samotného detektoru.

Prvkem snímajícím světlo v zařízeních pro počítání fotonů v NIR, viditelných a ultrafialových vlnových délkách je fotonásobič pro dosažení dostatečné citlivosti.

Ve vzdušném a vesmírném dálkovém průzkumu se takové fotonové čítače používají v horním toku elektromagnetického spektra , jako je rentgenové záření až po ultrafialové záření . To je obvykle způsobeno nižší intenzitou záření měřených objektů a také obtížností měření světla při vyšších energiích pomocí jeho částicovité povahy ve srovnání s vlnovou povahou světla při nižších frekvencích. Naopak, radiometry se obvykle používají pro dálkový průzkum z viditelného , infračerveného i když vysokofrekvenčního rozsahu.

Fotografování

K určení správné expozice ve fotografii se používají fotometry . V moderních fotoaparátech je fotometr obvykle zabudován. Jelikož se osvětlení různých částí obrazu liší, pokročilé fotometry měří intenzitu světla v různých částech potenciálního obrazu a pomocí algoritmu určují nejvhodnější expozici pro konečný obraz, přizpůsobení algoritmu typu zamýšleného obrazu (viz Režim měření ). Historicky byl fotometr oddělen od fotoaparátu a byl znám jako expozimetr . Pokročilé fotometry by pak mohly být použity buď k měření světla z potenciálního obrazu jako celku, k měření od prvků obrazu k ověření, že nejdůležitější části obrazu jsou optimálně exponovány, nebo k měření dopadajícího světla na scénu s integračním adaptérem.

Fotometrie odrazivosti viditelného světla

Odrazivost fotometr měří odrazivost povrchu jako funkci vlnové délky. Povrch je osvětlen bílým světlem a odražené světlo je měřeno po průchodu monochromátorem. Tento typ měření má hlavně praktické aplikace, například v odvětví barev pro objektivní charakterizaci barvy povrchu.

Fotometrie prostupu UV a viditelného světla

Jedná se o optické přístroje pro měření absorpce světla dané vlnové délky (nebo daného rozsahu vlnových délek) barevných látek v roztoku. Z absorpce světla umožňuje Beerův zákon vypočítat koncentraci zbarvené látky v roztoku. Díky své široké škále aplikací a své spolehlivosti a robustnosti se fotometr stal jedním z hlavních nástrojů v biochemii a analytické chemii . Absorpční fotometry pro práci ve vodném roztoku pracují v ultrafialovém a viditelném rozsahu od vlnové délky kolem 240 nm do 750 nm.

Princip spektrofotometrů a filtračních fotometrů spočívá v tom, že (pokud je to možné) nechá monochromatické světlo projít nádobou (buňkou) s opticky plochými okénky obsahujícími roztok. Poté dosáhne detektoru světla, který měří intenzitu světla ve srovnání s intenzitou po průchodu identickou buňkou se stejným rozpouštědlem, ale bez zbarvené látky. Z poměru mezi intenzitami světla a znalosti kapacity barevné látky absorbovat světlo (absorpční schopnost barevné látky nebo plocha fotonového průřezu molekul barevné látky při dané vlnové délce) je možné vypočítat koncentrace látky pomocí Beerova zákona .

Používají se dva typy fotometrů: spektrofotometr a filtrační fotometr. Ve spektrofotometrech se pro získání monochromatického světla jedné definované vlnové délky používá monochromátor (s hranolem nebo mřížkou ) . Ve filtračních fotometrech se k poskytnutí monochromatického světla používají optické filtry. Spektrofotometry lze tedy snadno nastavit pro měření absorbance při různých vlnových délkách a lze je také použít ke skenování spektra absorbující látky. Jsou tímto způsobem pružnější než filtrační fotometry, poskytují také vyšší optickou čistotu analyzovaného světla, a proto se s výhodou používají pro výzkumné účely. Filtrační fotometry jsou levnější, obratnější a snadněji použitelné, a proto se používají pro rutinní analýzu. Fotometry pro mikrotitrační destičky jsou filtrační fotometry.

Fotometrie přenosu infračerveného světla

Spektrofotometrie v infračerveném světle se používá hlavně ke studiu struktury látek, protože dané skupiny dávají absorpci při definovaných vlnových délkách. Měření ve vodném roztoku není obecně možné, protože voda v některých vlnových délkách silně absorbuje infračervené světlo. Infračervená spektroskopie se proto provádí buď v plynné fázi (pro těkavé látky), nebo s látkami lisovanými do tablet spolu se solemi, které jsou v infračervené oblasti průhledné. Bromid draselný (KBr) se běžně používá pro tento účel. Testovaná látka se důkladně promísí se speciálně vyčištěným KBr a lisuje se do průhledné tablety, která se umístí do paprsku světla. Analýza závislosti na vlnové délce se obecně neprovádí s použitím monochromátoru, jako je tomu v UV-Vis, ale s použitím interferometru . Interferenční vzor lze analyzovat pomocí algoritmu Fourierovy transformace . Tímto způsobem lze analyzovat celý rozsah vlnových délek současně, což šetří čas a interferometr je také levnější než monochromátor. Světlo absorbované v infračervené oblasti neodpovídá elektronickému buzení studované látky, ale spíše různým druhům vibračního buzení. Vibrační excitace jsou charakteristické pro různé skupiny v molekule, které lze tímto způsobem identifikovat. Infračervené spektrum má obvykle velmi úzké absorpční linie, což je činí nevhodnými pro kvantitativní analýzu, ale poskytuje velmi podrobné informace o molekulách. Frekvence různých režimů vibrací se mění s izotopem, a proto různé izotopy dávají různé vrcholy. To umožňuje také studovat izotopové složení vzorku pomocí infračervené spektrofotometrie.

Atomová absorpční fotometrie

Atomové absorpční fotometry jsou fotometry, které měří světlo z velmi horkého plamene. Roztok, který má být analyzován, je vstřikován do plamene konstantní, známou rychlostí. Kovy v roztoku jsou v plameni přítomny v atomové formě. Monochromatické světlo v tomto typu fotometru je generováno výbojkou, kde výboj probíhá v plynu s určovaným kovem. Výboj poté vyzařuje světlo s vlnovými délkami odpovídajícími spektrálním čarám kovu. K izolaci jedné z hlavních spektrálních čar analyzovaného kovu lze použít filtr. Světlo je absorbováno kovem v plameni a absorpce se používá ke stanovení koncentrace kovu v původním roztoku.

Viz také

Reference

Článek částečně vychází z odpovídajícího článku ve švédské Wikipedii