Метод исследования светорассеивающих растворов по прошедшему через них свету называется турбидиметрией. Для измерения световых потоков используются турбидиметры, построенные по принципу визуальных или электрических фотометров.
Таким образом, интенсивность пучка (плотность потока) параллельных лучей света при прохождении через кювету вследствие поглощения меняется по экспоненциальному закону. При турбидиметрии проводится измерение прошедшего светового пучка, также как измеряется и абсорбция при фотометрии. Поэтому в качестве турбидиметра можно использовать большинство фотометров и биохимических анализаторов, так как этот способ не требует особой конструкции прибора.
Обычно при турбидиметрических исследованиях используются короткие длины волн, как правило, 340 нм. Это связано с тем, что доля рассеянного света увеличивается обратно пропорционально четвертой степени длины волны, соответственно при меньшей длине волны прошедший свет будет составлять большую часть от падающего, то есть будет более интенсивным. В то же время оптические системы, как правило, уверенно работают в ближнем ультрафиолете при 340 нм, в более дальнем ультрафиолетовом диапазоне необходимо использовать специальную оптику.
При распространении через поглощающую среду электромагнитная волна
взаимодействует с веществом, изменяя его энергетическое состояние. Это взаимодействие происходит путем поглощения веществом фотонов – квантов энергии световой волны. Таким образом, при каждом акте поглощения фотона внутренняя энергия вещества увеличивается дискретно – на величину энергии кванта света. Наоборот, при излучении света веществом происходит дискретное уменьшение внутренней энергии вещества. Поглощение света некоторыми твердыми веществами приводит к фотоэлектрическим явлениям, это позволяет достаточно просто регистрировать световые потоки и измерять их параметры. Дискретность обмена энергии обусловлена строением атомов вещества, его молекулярной структуры. Дискретную структуру энергетических состояний атомов впервые описал Бор, выдвинувший два постулата, которые легли в основу квантовой теории строения вещества.
Простейший из атомов, атом водорода содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. Еще в начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атома водорода в видимой области (так называемый линейчатый спектр). Совокупность спектральных линий атома водорода в видимой части спектра была названа серией Бальмера. Позже аналогичные серии спектральных линий были обнаружены в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра.
Таким образом, переход атома из одного энергетического состояние в другое сопровождается либо высвобождением энергии (излучение), либо поглощением энергии.
Линейчатыми спектрами излучения (и поглощения) обладают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии, причем каждое вещество обладает неповторимым расположением спектральных линий. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Поэтому атомарные спектры используются как эталоны длин волн при спектральной калибровке спектрофотометров и при определении дисперсии и показателя преломления различных веществ. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются (так как при сближении атомов энергетические уровни «расщепляются», принимая близкие к основному уровню значения) и при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, так как их структура прямо связана со строением атома. Эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств атомов этого вещества и не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн.
На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10 М. Это очень чувствительный метод.
Изучают спектры с помощью спектрометров.
Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом анализа состава сложных, главным образом органических смесей. Спектральный анализ получил широкое распространение в токсикологии, криминалистической медицине, при исследовании микроэлементов в тканях и жидкостях организма.
