Werkblad 4.1: Zelf een absorptiefotometer maken

In het gedeelte over absorptie van licht is de wet van Lambert, die de afname van de intensiteit van licht laat zien op zijn weg $x$ door een absorberend medium met een absorptiecoëfficiënt $a$, als volgt gepresenteerd:

Bij fotometrie-experimenten wordt een glazen cuvet met de lengte $x$ gevuld met een monster en belicht. Bij de ingang van de cuvet (bij $x=0$) is de intensiteit gelijk aan $I_o$. De door absorptie verlaagde intensiteit $I(x)$ wordt gemeten aan het einde van de cuvet. Het doel van de meting is om de absorptiecoëfficiënt $a$ te berekenen uit de gegevens van $I_o$ en $I(x)$, zoals de bekende lengte $x$ van de cuvet.

Schematische opbouw van een fotometer met enkele bundel. Het licht van de bron wordt met een monochromator gescheiden in zijn spectrale delen. Monochromatisch licht met een selecteerbare golflengte komt uit de uitgangsspleet. Een convergerende lens genereert een bijna parallelle lichtstraal die de cuvet passeert. Het resterende licht wordt door een convergerende lens op een fotodetector gericht waar het wordt omgezet in een elektrisch signaal dat evenredig is met de intensiteit. Dit signaal kan verder elektronisch verwerkt worden.

Suggesties voor de constructie van een fotometer

Wat heb je nodig?

• een lichtbron; halogeenlampen zijn het meest geschikt vanwege hun helderheid en hun brede spectrum dat het zichtbare bereik bestrijkt. Hun helderheid is laag in het blauwe bereik en ze ontbreken in het ultraviolette. Als het blauwe bereik van belang is, is een koelwitte LED de betere keuze.
• Convergerende lenzen zijn gemakkelijk verkrijgbaar bij winkels voor lesmateriaal of via internet. Een lens met een brandpuntsafstand van ongeveer 50 mm zal werken om het licht van de halogeenlamp op de ingang van de spectograaf te richten. Je kunt zelfs proberen of je brillenglazen werken. Een zaklamp waarvan het licht goed scherpgesteld kan worden is ook geschikt.
• een monochromator of spectrograaf voor de scheiding van het licht in smalle spectrale (monochromatische) delen. Dit is een relatief duur onderdeel. Misschien is het te vinden in de verzameling natuurkunde-experimenten op school of anders kan het geleend worden van een wetenschappelijk onderzoeksinstituut. Zelf een monochromator bouwen zou een ander groot project zijn.

• Als alternatief kunnen enkelkleurige lichtbronnen worden gebruikt. Deze vervangen dan een monochromator. Omdat LED's verkrijgbaar zijn in alle kleuren, passen ze perfect bij dit doel. Hun positie in de schematische tekening is bij de uitgangsspleet, die in dat geval niet meer nodig is omdat alle componenten zich verder naar links bevinden. Het licht wordt zo goed mogelijk geparallelliseerd door een convergerende lens. LED's met een doorzichtige kunststof verpakking zijn in het voordeel ten opzichte van die met een ondoorzichtige kunststof verpakking.
• een cuvet voor de presentatie van vloeibare monsters. Een vaas met een rechthoekige doorsnede werkt zolang het glasoppervlak vlak is. Winkels voor laboratoriumbenodigdheden verkopen vaak goedkope plastic cuvetten en pasteurpipetten. Hiermee kunnen we de cuvet vullen en legen zonder deze los te maken van de testopstelling. Op die manier blijft de optische uitlijning intact.
  

  Cuvetten voor fotometrie in chemische laboratoria hebben meestal binnenmaten van 1 cm × 1 cm × 5 cm. Ze zijn verkrijgbaar van glas en (zoals hierboven getoond) van plastic.
  Vooral de linkerkuvet is goed geschikt voor fotometrie omdat de twee gepolijste kanten naar de twee ondoorzichtige kanten wijzen. De ondoorzichtige oppervlakken verminderen reflecties van het doorgelaten licht. De gepolijste cuvet aan de rechterkant kan ook worden gebruikt voor fluorescentieanalyses, die worden uitgevoerd in een 90° opstelling van de opwindende en detectielichtpaden. Sommige soorten plastic kunnen beschadigd raken door alcohol, zodat ze alleen gebruikt kunnen worden met waterige oplossingen.
• een fotodetector. Heel redelijk en gevoelig tegelijk is een silicium fotodiode, die een fotostroom genereert die evenredig is met de inkomende lichtintensiteit. De fotostroom wordt aangegeven door een ampèremeter waarvan het effectieve bereik gevoelig moet zijn tot 0,1 μA of beter.

Voor meer suggesties over de constructie van een fotometer en het vermijden van meetfouten, zie de aanvullende tips. Het verzamelen van gegevens en de analyse ervan wordt besproken in het gedeelte Fotometergegevens analyseren.