Fotometer - Photometer

En fotometer är ett instrument som mäter styrkan hos elektromagnetisk strålning i området från ultraviolett till infrarött och inklusive det synliga spektrumet. De flesta fotometrar omvandlar ljus till en elektrisk ström med en fotoresistor , fotodiod eller fotomultiplikator .

Fotometrar mäter:

• Illuminans
• Strålning
• Ljusabsorption
• Spridning av ljus
• Reflektion av ljus
• Fluorescens
• Fosforescens
• Luminiscens

Historia

Innan elektroniska ljuskänsliga element utvecklades gjordes fotometri genom uppskattning av ögat. Det relativa ljusflödet för en källa jämfördes med en standardkälla. Fotometern är placerad så att ljusstyrkan från källan som undersöks är lika med standardkällan, eftersom det mänskliga ögat kan bedöma lika ljusstyrka. De relativa ljusflödena kan sedan beräknas när ljusstyrkan minskar proportionellt mot det inversa kvadratet på avståndet. Ett standardexempel på en sådan fotometer består av ett papper med en oljeplats på som gör papperet något mer transparent. När fläcken inte syns från någon sida är ljusstyrkan från de båda sidorna lika.

År 1861 var tre typer vanliga. Dessa var Rumfords fotometer, Ritchies fotometer och fotometrar som använde utrotningen av skuggor, vilket ansågs vara den mest exakta.

Rumfords fotometer

Rumfords fotometer (även kallad en skuggfotometer) berodde på principen att ett ljusare ljus skulle kasta en djupare skugga. De två lamporna som skulle jämföras användes för att kasta en skugga på papper. Om skuggorna hade samma djup, skulle skillnaden i ljusets avstånd indikera skillnaden i intensitet (t.ex. ett ljus som är dubbelt så långt skulle vara fyra gånger intensiteten).

Ritchies fotometer

Ritchies fotometer beror på lika belysning av ytorna. Den består av en låda (a, b) sex eller åtta tum lång och en i bredd och djup. I mitten vinklades en kil av trä (f, e, g) uppåt och täcktes med vitt papper. Användarens öga tittade genom ett rör (d) högst upp i en låda. Anordningens höjd var också justerbar via stativet (c). Lamporna att jämföra placerades vid sidan av lådan (m, n) - som belyste pappersytorna så att ögat såg båda ytorna på en gång. Genom att ändra lampornas position, fick de belysa båda ytorna lika, med skillnaden i intensitet motsvarande kvadraten för skillnaden i avstånd.

Metod för utrotning av skuggor

Denna typ av fotometer berodde på det faktum att om ett ljus kastar skuggan av ett ogenomskinligt objekt på en vit skärm, finns det ett visst avstånd som, om ett andra ljus förs dit, utplånar alla spår av skuggan.

Princip för fotometrar

De flesta fotometrar upptäcker ljuset med fotoresistorer , fotodioder eller fotomultiplikatorer . För att analysera ljuset kan fotometern mäta ljuset efter att det har passerat genom ett filter eller genom en monokromator för bestämning vid definierade våglängder eller för analys av den spektrala fördelningen av ljuset.

Fotonräkning

Vissa fotometrar mäter ljus genom att räkna enskilda fotoner snarare än inkommande flöde . Funktionsprinciperna är desamma men resultaten ges i enheter som fotoner / cm ² eller fotoner · cm ⁻² · sr ⁻¹ snarare än W / cm ² eller W · cm ⁻² · sr ⁻¹ .

På grund av sin individuella fotonräknande natur är dessa instrument begränsade till observationer där bestrålningen är låg. Bestrålningen begränsas av tidsupplösningen för dess tillhörande detektoravläsningselektronik. Med nuvarande teknik ligger detta i megahertz-intervallet. Den maximala bestrålningen är också begränsad av detektorns kapacitet och förstärkning.

Det ljusavkännande elementet i fotonräknare i NIR, synliga och ultravioletta våglängder är en fotomultiplikator för att uppnå tillräcklig känslighet.

I luftburna och rymdbaserade fjärranalyser används sådana fotonräknare i det övre området av det elektromagnetiska spektrumet, såsom röntgen till mycket ultraviolett . Detta beror vanligtvis på den lägre strålningsintensiteten hos objekten som mäts såväl som svårigheten att mäta ljus vid högre energier med hjälp av dess partikelliknande natur jämfört med ljusets vågliknande natur vid lägre frekvenser. Omvänt används radiometrar vanligtvis för fjärranalys från det synliga , infraröda men radiofrekvensområdet .

Fotografi

Fotometrar används för att bestämma rätt exponering i fotografering . I moderna kameror är fotometern vanligtvis inbyggd. Eftersom belysningen av olika delar av bilden varierar mäter avancerade fotometrar ljusintensiteten i olika delar av den potentiella bilden och använder en algoritm för att bestämma den lämpligaste exponeringen för den slutliga bilden, anpassa algoritmen till den avsedda bilden (se Mätningsläge ). Historiskt sett var en fotometer separat från kameran och känd som en exponeringsmätare . De avancerade fotometrarna kunde då användas antingen för att mäta ljuset från den potentiella bilden som helhet, för att mäta från element i bilden för att säkerställa att de viktigaste delarna av bilden exponeras optimalt, eller för att mäta det infallande ljuset till scenen med en integrerad adapter.

Synlig ljusreflektionsfotometri

En reflektansfotometer mäter en yts reflektans som en funktion av våglängden. Ytan är upplyst med vitt ljus och det reflekterade ljuset mäts efter att ha passerat genom en monokromator. Denna typ av mätning har huvudsakligen praktiska tillämpningar, till exempel inom färgindustrin för att karakterisera ytans färg objektivt.

Fotometri för överföring av UV och synligt ljus

Dessa är optiska instrument för att mäta absorptionen av ljus med en given våglängd (eller ett visst våglängdsområde) av färgade ämnen i lösning. Från ljusabsorptionen gör Beer lag det möjligt att beräkna koncentrationen av det färgade ämnet i lösningen. På grund av sitt breda användningsområde och dess tillförlitlighet och robusthet har fotometern blivit ett av de viktigaste instrumenten inom biokemi och analytisk kemi . Absorptionsfotometrar för arbete i vattenlösning fungerar i ultraviolett och synligt område, från våglängd runt 240 nm till 750 nm.

Principen för spektrofotometrar och filterfotometrar är att (så långt som möjligt) monokromatiskt ljus får passera genom en behållare (cell) med optiskt plana fönster som innehåller lösningen. Den når sedan en ljusdetektor som mäter ljusintensiteten jämfört med intensiteten efter att ha passerat genom en identisk cell med samma lösningsmedel men utan den färgade substansen. Från förhållandet mellan ljusintensiteterna, med vetskap om den färgade substansens förmåga att absorbera ljus (absorbansen hos den färgade substansen eller fotonets tvärsnittsarea av molekylerna hos den färgade substansen vid en given våglängd), är det möjligt att beräkna koncentrationen av ämnet enligt Beer-lag .

Två typer av fotometrar används: spektrofotometer och filterfotometer. I spektrofotometrar används en monokromator (med prisma eller med galler ) för att erhålla monokromatiskt ljus med en definierad våglängd. I filterfotometrar används optiska filter för att ge det monokromatiska ljuset. Spektrofotometrar kan sålunda enkelt ställas in för att mäta absorbansen vid olika våglängder, och de kan också användas för att skanna det absorberande ämnets spektrum. De är på detta sätt mer flexibla än filterfotometrar, ger också en högre optisk renhet för analysljuset, och därför används de företrädesvis för forskningsändamål. Filterfotometrar är billigare, mer robusta och lättare att använda och därför används de för rutinanalys. Fotometrar för mikrotiterplattor är filterfotometrar.

Fotometri för infrarött ljus

Spektrofotometri i infrarött ljus används främst för att studera substansernas struktur, eftersom givna grupper ger absorption vid definierade våglängder. Mätning i vattenlösning är i allmänhet inte möjlig, eftersom vatten absorberar infrarött ljus starkt i vissa våglängdsområden. Därför utförs infraröd spektroskopi antingen i gasfasen (för flyktiga ämnen) eller med de substanser som pressas till tabletter tillsammans med salter som är transparenta inom det infraröda området. Kaliumbromid (KBr) används ofta för detta ändamål. Substansen som testas blandas noggrant med speciellt renad KBr och pressas till en transparent tablett som placeras i ljusstrålen. Analysen av våglängdsberoendet görs vanligtvis inte med en monokromator som den är i UV-Vis, utan med användning av en interferometer . Interferensmönstret kan analyseras med användning av en Fourier-transform -algoritm . På detta sätt kan hela våglängdsområdet analyseras samtidigt, vilket sparar tid och en interferometer är också billigare än en monokromator. Ljuset som absorberas i det infraröda området motsvarar inte elektronisk excitation av det studerade ämnet, utan snarare olika typer av vibrationscitation. De vibrerande excitationerna är karakteristiska för olika grupper i en molekyl, som på detta sätt kan identifieras. Det infraröda spektrumet har vanligtvis mycket smala absorptionslinjer, vilket gör dem olämpliga för kvantitativ analys men ger mycket detaljerad information om molekylerna. Frekvenserna för de olika vibrationssätten varierar med isotopen, och därför ger olika isotoper olika toppar. Detta gör det också möjligt att studera isotopkompositionen i ett prov med infraröd spektrofotometri.

Atomabsorption fotometri

Atomabsorptionsfotometrar är fotometrar som mäter ljuset från en mycket het flamma. Lösningen som ska analyseras injiceras i lågan med en konstant, känd hastighet. Metaller i lösningen finns i atomform i lågan. Det monokromatiska ljuset i denna typ av fotometer genereras av en urladdningslampa där urladdningen sker i en gas med metallen som ska bestämmas. Urladdningen avger sedan ljus med våglängder som motsvarar metallens spektrala linjer. Ett filter kan användas för att isolera en av huvudspektrallinjerna för metallen som ska analyseras. Ljuset absorberas av metallen i lågan och absorptionen används för att bestämma metallens koncentration i den ursprungliga lösningen.

Se även

• Radiometri
• Ramanspektroskopi
• Fotodetektor - En givare som kan ta emot en optisk signal och producera en elektrisk signal som innehåller samma information som i den optiska signalen.

Referenser

Artikel delvis baserad på motsvarande artikel på svenska Wikipedia