Фотометар

Фотометар — инструмент со кој се мери јачината на електромагнетното зрачење од ултравиолетовиот до инфрацрвениот дел од спектарот, вклучувајќи го видливиот спектар. Повеќето фотометри ја претвораат светлината во електрична струја користејќи фотоотпорник, фотодиода или фотомултипликатор.
Фотометрите мерат:
* Осветлување
* Зрачење
* Апсорпција на светлина
* Расејување на светлината
* Одраз на светлината
* Флуоресценција
* Фосфоресценција
* Луминисценција
1 Историја
Пред да се развијат фотосетилните електронски елементи, фотометријата се изведувала преку проценка со око. Релативниот светлински тек на изворот се споредувал со определен стандарден извор. Фотометарот кај ваквите набљудувања се поставува така што осветлувањето од изворот што се истражува е еднакво на стандардниот извор, користејќи ја способноста на човечкото око да процени еднаква осветленост. Релативните светлински флуксови потоа може да се пресметаат земајќи предвид дека осветлувањето се намалува пропорционално на обратниот квадрат на растојанието. Стандарден пример за таков фотометар се состои од парче хартија со маслено место на него што ја прави хартијата малку потранспарентна. Кога дамката не е видлива од ниту една страна, осветлувањето од двете страни е еднакво.
До 1861 година, во секојдневната употреба бил три вида фотометри. Тоа биле фотометарот на Рамфорд, фотометарот на Ричи и фотометрите кои користеле згаснување на сенките, кој се сметал за најпрецизен метод.
1.1 Рамфордов фотометар
Рамфордовиот фотометар (исто така наречен и сенков фотометар) е заснован на фактот дека посилната светлина ќе фрли подлабока сенка. Двете светла што требало да се споредат биле така поставени за нивната сенка да се проектира на хартија. Растојанијата помеѓу изворите на светлина и предметот чијашто сенка се набљудувала биле поставени така што нивните сенки биле подеднакво темни. Тогаш, разликата во оддалеченоста на изворите на светлина од предметот се користела да се определи разликата во интензитетите на двата извора (на пр. извор на светлина на двојно поголемо растојание соодветствува на четири пати поголем интензитет на светлината).
1.2 Ричиев фотометар
Фотометарот на Ричи се заснова на еднакво осветлување на површините. Се состои од кутија (a, b) долга 15 или 20 cm и 2,5 cm во ширина и длабочина. Во средината, клин од дрво (f,e,g) е поставен со врвот нагоре и покриен со бела хартија. Набљудувачот гледа со око низ цевката (d) на врвот на кутијата. Висината на апаратот може да се дотерува со држачот (c). Изворите на светлина кои се споредуваат се поставуваат од двете страни на кутијата (m, n) - така што ја осветлуваат хартијата од двете страни, па потоа двете страни може преку цевката (d) се набљудуваат истовремено. Со променува положбата на изворите на светлина додека двете површини да бидат осветлени подеднакво. Разликата во интензитетот се пресметува како квадратот на разликата во растојанието на светлинските извори во моментот кога тие подеднакво ја осветлуваат белата хартија.
1.3 Метод на згаснување на сенки
Овој тип на фотометар се користел така што извор на светлина се поставувал да фрли сенката од некој непроѕирен објект на бел екран, па на одредено растојание се донесувал втор извор на светлина, кој ги бришел сите траги од сенката.
2 Принцип на фотометрите
Повеќето фотометри ја детектираат светлината преку фотоотпорници, фотодиоди или фотомултипликатори. За анализа на светлината, фотометарот ја мери светлината откако таа ќе помине низ филтер или низ монохроматор, па се определува интензитетот при дадени бранови должини или се анализира спектралната дистрибуција на светлината.
3 Броење на фотони
Некои фотометри ја мерат светлината преку броење на поединечните фотони кои паѓаат на детекторот, наместо мерење на упадниот флукс. Принципот на работ е исти, но резултатите се дадени во единици како фотони/cm <sup>2</sup> или фотони·cm <sup>−2</sup> ·sr <sup>−1</sup> наместо W/cm <sup>2</sup> или W·cm<sup>−2</sup>·sr<sup>−1</sup>.
Поради тоа што тие бројат поединечни фотони, овие инструменти се ограничени на набљудување на извори со ниско зрачењето. Зрачењето е ограничено со временската резолуција на електрониката која се користи во детекторот. Со сегашната технологија ова е во опсегот на мегахерци. Максималното зрачење е исто така ограничено од параметрите на пропусната моќ и засилувањето на самиот детектор.
Фотосетилниот елемент кој се користи во уредите за броење фотони во близуинфрацрвените (Near Infrared-NIR), видливи и ултравиолетови бранови должини е фотомултипликаторот, кој има за цел да се постигне доволна чувствителност.
Во воздухопловни и вселенски далечински набљудувања, таквите бројачи на фотони се користат на горниот дел на електромагнетниот спектар, како што се рендгенските зраци до далечните ултравиолетови. Ова обично се должи на помалиот интензитет на зрачењето на објектите што се мерат, како и на тешкотиите при мерење на високоенергетската светлината користејќи ја нејзината честична природа наспроти брановата природа на светлината на пониски честоти. Спротивно на тоа, радиометрите обично се користат за далечинско набњудување од видливиот, инфрацрвениот и радиочестотниот опсег на спектарот.
4 Фотографија
Фотометрите се користат за одредување на соодветното време експозиција при фотографијата. Во современите камери, фотометарот обично е вграден. Бидејќи осветлувањето на различни делови од сликата обично не е униформно, напредните фотометри го мерат интензитетот на светлината во различни делови од полето каде што се наоѓа потенцијалната фотографија и користат алгоритам за да ја го одредат времето на експозиција кое е најсоодветно за конечната слика, прилагодувајќи го алгоритмот на типот на наменетата слика (види Режим на мерење). Историски, фотометарот бил инструмент посебен од камерата и познат како мерач на експозиција. Напредните фотометри се користат или за мерење на осветленоста на потенцијалната слика во целост, за мерење од деловите на сликата за да најважните делови од сликата бидат со оптимална експозиција или за мерење на светлината што упаѓа на местото на видното поле со интегриран адаптер.
5 Фотометрија на одбивност на видливата светлина
Одвивачкиот фотометар е уред кој ја мери одбивноста на површината како функција од брановата должина. Површината се осветлува со бела светлина, а одбиената светлина се мери откако ќе помине низ монохроматор. Ваквиот тип на мерење има практична примена во индустријата за бои, бидејќи овозможува бојата на површината објективно да се определи.
6 Фотометрија за пренос на УВ и видлива светлина
Ова се оптички инструменти за мерење на апсорпцијата на светлината на дадена бранова должина (или даден опсег на бранови должини) на обоени супстанции во раствор. Преку апсорпцијата на светлината, со користење на Беровиот закон може да се пресмета концентрацијата на обоената супстанција во растворот. Поради широкиот опсег на примена и неговата доверливост и робусност, фотометарот е еден од главните инструменти во биохемијата и аналитичката хемија. Апсорпционите фотометри за работа во воден раствор работат во ултравиолетовиот и видливиот дел од спектарот, значи во опсегот на бранови должини од околу 240 nm до 750 nm.
Принципот на спектрофотометри и фотометри со филтри е дека тие пропуштаат монохроматска светлина (или колку што е можно најблиску до монохроматска) низ контејнер (ќелија) со оптички рамни прозорци исполнета со раствор. Откако ќе помине низ филтерот, светлината стигнува до детектор, кој го мери нејзиниот интензитет. Измерениот интензитет се споредува со интензитетот на светлина која поминува низ идентична ќелија со истиот растворувач, но без обоената супстанција. Од односот помеѓу интензитетите на светлината, знаејќи го капацитетот на обоената супстанција да апсорбира светлина (апсорпција на обоената супстанција или површината на пресекот на фотонот на молекулите на обоената супстанција на дадена бранова должина), можно е да се пресмета концентрацијата на супстанцијата користејќи го Бeровиот закон.
Во употреба се два вида фотометри: спектрофотометри и фотометри со филтер. Кај спектрофотометрите, се користи монохроматор (со призма или со решетка) за да се добие монохроматска светлина со една дефинирана бранова должина. Во фотометрите со филтер, оптички филтер се користи за да се добие монохроматска светлина. Така, спектрофотометрите лесно може да се постават за мерење на апсорпцијата на различни бранови должини, а исто така може да се користат за скенирање на спектарот на супстанцијата што апсорбира. Тие се на овој начин пофлексибилни од фотометрите со филтер, исто така даваат поголема оптичка чистина на анализираната светлина и затоа главно се користат за истражувачки цели. Фотометрите со филтер се поевтини, поробусни и полесни за употреба, па затоа се користат за рутинска анализа. Фотометрите за микротитарните плочи се класифицираат како фотометри со филтер.
7 Фотометрија на пренос на инфрацрвена светлина
Спектрофотометријата на инфрацрвена светлина главно се користи за проучување на структурата на супстанциите, бидејќи различни атомски и молекуларни групи даваат имаат различни апсорпциони линии на одредени делови на спектарот. Мерењето на спектрите обично не е можно да се направи со растворање на истражуваната супстанца во вода, бидејќи водата силно ја апсорбира инфрацрвената светлина во некои делови од спектарот. Затоа, инфрацрвената спектроскопија се изведува или во гасовита фаза (за испарливи материи) или со супстанци кои се притиснати во таблети заедно со соли кои се проѕирни во инфрацрвениот опсег. За оваа намена најчесто се користи калиум бромид (KBr). Супстанцијата што се тестира темелно се меша со специјално прочистен KBr и се пресува во проѕирна таблета, која се става во зракот на светлината. Анализата на зависноста на интензитетот од брановата должина обично не се прави со помош на монохроматор како што е во случајот кај ултравиолетовата и видливата светлина, туку со помош на интерферометар. Добиената интерферентна шема може да се анализира со помош на алгоритам за Фурјеова трансформација. На овој начин, сите бранови должина може да се анализираат истовремено, заштедувајќи време, а интерферометарот е исто така поевтин од монохроматор. Светлината апсорбирана во инфрацрвениот регион не одговара на електронска ексцитација на проучуваната супстанција, туку на различни видови вибрациона ексцитација. Вибрационите ексцитации се карактеристични за различни групи во молекулата, кои на овој начин можат да се идентификуваат. Инфрацрвениот спектар обично има многу тесни апсорпциони линии, кои не се соодветни за квантитативна анализа, но дава многу детални информации за молекулите. Честотите на различните модови на вибрација се различни кај различните изотопи, па затоа различните изотопи имаат различни врвови во спектарот. Ова овозможува и проучување на изотопскиот состав на примерокот преку инфрацрвена спектрофотометрија.
8 Фотометрија на атомско впивање
Фотометри со атомско впивање се фотометри кои се користат за мерење на светлината на многу жежок пламен. Анализираниот раствор се додава во пламенот со константна, позната брзина. Металите во растворот во пламенот се јавуваат во облик на атоми. Монохроматското светло кај овој тип на фотометар се создава со помош на ламба на празнење каде што празнењето се одвива во гас со металот што треба да се определи. Празнењето потоа емитира светлина на оние бранови должини на кои металот создава спектралните линии. Со филтер може да се изолира една од главните спектрални линии на анализираниот метал. Металот во пламенот ја впива светлината на соодветните апсорпциони линии, па со анализа на спектарот се определува концентрацијата на металот во првичниот раствор.
9 Поврзано
* Радиометрија
* Раманова спектроскопија
* Фотодетектор - трансдуцер кој може да прифати оптички сигнал и да произведе електричен сигнал со истите информации како од оптичкиот сигнал.
10 Наводи
''Статијата делумно заснована на соодветната статија на шведската и англиската Википедија''