Фотометр — это 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 проводилась путем оценки, сравнивая световой поток источника со стандартным источником. К XIX веку распространенными фотометрами стали фотометр Румфорда, сравнивавший глубину теней, отбрасываемых различными источниками света, и фотометр Ричи, который полагался на равное освещение поверхностей. Другой тип основывался на затухании теней.
Современные фотометры используют фоторезисторы, фотодиоды или фотоумножители для обнаружения света. Некоторые модели используют подсчет фотонов, измеряя свет путем подсчета отдельных фотонов. Они особенно полезны в областях с низкой освещенностью. Фотометры имеют широкий спектр применения, 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 определения концентрации металлов в растворе.
До того, как были разработаны электронные светочувствительные элементы, фотометрия выполнялась путем оценки на глаз. Относительный световой поток источника сравнивался со стандартным источником. Фотометр размещался таким образом, чтобы освещенность от исследуемого источника была равна освещенности от стандартного источника, поскольку человеческий глаз может судить о равной освещенности. Относительные световые потоки затем можно было рассчитать, поскольку освещенность уменьшалась пропорционально обратному квадрату расстояния. Стандартный пример такого фотометра представляет собой лист бумаги с масляным пятном на нем, которое делало бумагу немного более прозрачной. Когда пятно не видно ни с одной из сторон, освещенность с двух сторон одинакова.
К 1861 году в обиходе были три типа приборов. [1] Это были фотометр Румфорда, фотометр Ритчи и фотометры, использующие поглощение теней, которые считались наиболее точными.
Фотометр Рамфорда (также называемый теневым фотометром) зависел от принципа, что более яркий свет будет отбрасывать более глубокую тень. Два сравниваемых света использовались для отбрасывания тени на бумагу. Если тени были одинаковой глубины, разница в расстоянии между светами указывала бы на разницу в интенсивности (например, свет, расположенный в два раза дальше, имел бы в четыре раза большую интенсивность).
Фотометр Ричи зависит от равномерного освещения поверхностей. Он состоит из коробки (a, b) длиной шесть или восемь дюймов и шириной и глубиной один. В середине клин дерева (f, e, g) был наклонен вверх и покрыт белой бумагой. Глаз пользователя смотрел через трубку (d) в верхней части коробки. Высота аппарата также регулировалась с помощью подставки (c). Сравниваемые огни располагались сбоку от коробки (m, n) — они освещали бумажные поверхности так, что глаз видел обе поверхности одновременно. Изменяя положение огней, они освещали обе поверхности одинаково, с разницей в интенсивности, соответствующей квадрату разницы в расстоянии.
Этот тип фотометра основывался на том факте, что если свет отбрасывает тень непрозрачного объекта на белый экран, то существует определенное расстояние, на котором, если туда поднести второй свет, все следы тени исчезнут.
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 через монохроматор для определения на определенных длинах волн или для анализа спектрального распределения света.
Некоторые фотометры измеряют свет, подсчитывая отдельные фотоны , а не входящий поток . Принципы работы те же самые, 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 своей индивидуальной природы подсчета фотонов эти приборы ограничены наблюдениями, где облученность низкая. облученность ограничена временным разрешением связанной с ней электроники считывания детектора. При нынешней технологии это находится в диапазоне мегагерц. Максимальная облученность также ограничена параметрами пропускной способности и усиления самого детектора.
Светочувствительным элементом в устройствах подсчета фотонов в ближнем ИК, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн является фотоумножитель, обеспечивающий достаточную чувствительность.
В воздушном и космическом дистанционном зондировании такие счетчики фотонов используются в верхних пределах электромагнитного спектра, таких как рентгеновские лучи до дальнего ультрафиолета . Обычно это связано с более низкой интенсивностью излучения измеряемых объектов, а также со сложностью измерения света при более высоких энергиях с использованием его корпускулярной природы по сравнению с волновой природой света на более низких частотах. Напротив, радиометры обычно используются для дистанционного зондирования в видимом , инфракрасном и радиочастотном диапазонах.
Фотометры используются для определения правильной экспозиции в фотографии . В современных камерах фотометр обычно встроен. Поскольку освещенность различных частей изображения различается, усовершенствованные фотометры измеряют интенсивность света в различных частях потенциального изображения и используют алгоритм для определения наиболее подходящей экспозиции для конечного изображения, адаптируя алгоритм к типу предполагаемого изображения (см. Режим замера ). Исторически фотометр был отделен от камеры и известен как экспонометр . Усовершенствованные фотометры затем могли использоваться либо для измерения света от потенциального изображения в целом, для измерения от элементов изображения, чтобы убедиться, что наиболее важные части изображения оптимально экспонированы, либо для измерения падающего света на сцену с помощью интегрирующего адаптера.
Отражательный фотометр измеряет отражательную способность поверхности как функцию длины волны. Поверхность освещается белым светом, а отраженный свет измеряется после прохождения через монохроматор. Этот тип измерения имеет в основном практическое применение, например , в лакокрасочной промышленности для объективной характеристики цвета поверхности.
Это оптические приборы для измерения поглощения света заданной длины волны (или заданного диапазона длин волн) окрашенных веществ в растворе. Из поглощения света закон Бера позволяет рассчитать концентрацию окрашенного вещества в растворе. Благодаря своей широкой области применения, надежности и прочности фотометр стал одним из основных приборов 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 фильтровых фотометров заключается в том, что (насколько это возможно) монохроматический свет проходит через контейнер (ячейку) с оптически плоскими окнами, содержащими раствор. Затем он достигает детектора света, 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 (поглощательную способность окрашенного вещества или площадь поперечного сечения фотона молекул окрашенного вещества на данной длине волны), можно рассчитать концентрацию вещества, используя закон Бера .
Используются два типа фотометров: спектрофотометр и фильтр- фотометр. В спектрофотометрах монохроматор (с призмой или с решеткой ) используется для получения монохроматического света одной определенной длины волны. В фильтр-фотометрах оптические фильтры используются для получения монохроматического света. Таким образом, спектрофотометры можно легко настроить для измерения поглощения на разных длинах волн, и их также можно использовать для сканирования спектра поглощающего вещества. Таким образом, они более гибкие, чем фильтр-фотометры, также дают более высокую оптическую чистоту анализируемого света, и поэтому их предпочтительно использовать для исследовательских целей. Фильтр-фотометры дешевле, надежнее и проще в использовании, и поэтому их используют для рутинного анализа. Фотометры для микротитровальных пластин являются фильтр-фотометрами.
Спектрофотометрия в инфракрасном свете в основном используется для изучения структуры веществ, поскольку данные группы дают поглощение на определенных длинах волн. Измерение в водном растворе, как правило, невозможно, поскольку вода сильно поглощает инфракрасный свет в некоторых диапазонах длин волн. Поэтому инфракрасная спектроскопия выполняется либо в газовой фазе (для летучих веществ), либо с веществами, спрессованными в таблетки вместе с солями, которые прозрачны в инфракрасном диапазоне. Для этой цели обычно используется бромистый калий (KBr). Испытуемое вещество тщательно смешивают со специально очищенным KBr и прессуют в прозрачную таблетку, которая помещается в луч света. Анализ зависимости длины волны, как правило, выполняется не с помощью монохроматора, как в УФ-видимом диапазоне, а с помощью интерферометра . Интерференционную картину можно анализировать с помощью алгоритма преобразования Фурье . Таким образом, весь диапазон длин волн можно анализировать одновременно, что экономит время, а интерферометр также менее затратен, чем монохроматор. Свет, поглощаемый в инфракрасной области, соответствует не электронному возбуждению исследуемого вещества, а скорее различным видам колебательного возбуждения. Колебательные возбуждения характерны для различных групп в молекуле, которые таким образом могут быть идентифицированы. 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 изменяются в зависимости от изотопа, и поэтому различные изотопы дают различные пики. Это также позволяет изучать изотопный состав образца с помощью инфракрасной спектрофотометрии.
Атомно-абсорбционные фотометры — это фотометры, которые измеряют свет от очень горячего пламени. Анализируемый раствор впрыскивается в пламя с постоянной, известной скоростью. Металлы в растворе присутствуют в пламени в атомарной форме. Монохроматический свет в этом типе фотометра генерируется разрядной лампой, где разряд происходит в газе с определяемым металлом. Затем разряд излучает свет с длинами волн, соответствующими спектральным линиям металла. Фильтр может использоваться для выделения одной из основных спектральных линий анализируемого металла. Свет поглощается металлом в пламени, и поглощение используется для определения концентрации металла в исходном растворе.
Статья частично основана на соответствующей статье в шведской Википедии.