Photometer - Photometer

Ein Photometer ist ein Instrument, das die Stärke elektromagnetischer Strahlung im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot und einschließlich des sichtbaren Spektrums misst . Die meisten Photometer wandeln Licht in einen elektrischen Strom unter Verwendung eines photoresistor , Photodiode oder Photomultiplier .

Photometer messen:

• Beleuchtungsstärke
• Bestrahlungsstärke
• Lichtabsorption
• Lichtstreuung
• Lichtreflexion
• Fluoreszenz
• Phosphoreszenz
• Lumineszenz

Geschichte

Bevor elektronische lichtempfindliche Elemente entwickelt wurden, wurde die Photometrie durch Schätzung durch das Auge durchgeführt. Der relative Lichtstrom einer Quelle wurde mit einer Standardquelle verglichen. Das Photometer ist so angeordnet, dass die Beleuchtungsstärke der untersuchten Quelle gleich der Standardquelle ist, da das menschliche Auge die gleiche Beleuchtungsstärke beurteilen kann. Die relativen Lichtströme können dann berechnet werden, wenn die Beleuchtungsstärke proportional zum inversen Quadrat der Entfernung abnimmt. Ein Standardbeispiel für ein solches Photometer besteht aus einem Stück Papier mit einem Ölfleck, der das Papier etwas transparenter macht. Wenn der Punkt von beiden Seiten nicht sichtbar ist, ist die Beleuchtungsstärke von beiden Seiten gleich.

Bis 1861 waren drei Typen gebräuchlich. Dies waren Rumfords Photometer, Ritchies Photometer und Photometer, die das Aussterben von Schatten verwendeten, was als das genaueste angesehen wurde.

Rumfords Photometer

Rumfords Photometer (auch Schattenphotometer genannt) hing vom Prinzip ab, dass ein helleres Licht einen tieferen Schatten werfen würde. Die beiden zu vergleichenden Lichter wurden verwendet, um einen Schatten auf Papier zu werfen. Wenn die Schatten dieselbe Tiefe hätten, würde der Unterschied in der Entfernung der Lichter den Unterschied in der Intensität anzeigen (z. B. würde ein doppelt so weites Licht das Vierfache der Intensität betragen).

Ritchies Photometer

Das Photometer von Ritchie hängt von der gleichen Beleuchtung der Oberflächen ab. Es besteht aus einer Box (a, b) mit einer Länge von sechs oder acht Zoll und einer in Breite und Tiefe. In der Mitte war ein Holzkeil (f, z. B.) nach oben abgewinkelt und mit weißem Papier bedeckt. Das Auge des Benutzers sah durch eine Röhre (d) oben in einer Schachtel. Die Höhe der Vorrichtung war ebenfalls über den Ständer (c) einstellbar. Die zu vergleichenden Lichter wurden an der Seite der Box (m, n) platziert, die die Papieroberflächen beleuchtete, so dass das Auge beide Oberflächen gleichzeitig sah. Durch Ändern der Position der Lichter wurden beide Flächen gleich beleuchtet, wobei der Intensitätsunterschied dem Quadrat des Abstandsunterschieds entsprach.

Methode der Auslöschung von Schatten

Diese Art von Photometer hing von der Tatsache ab, dass, wenn ein Licht den Schatten eines undurchsichtigen Objekts auf einen weißen Bildschirm wirft, es eine gewisse Entfernung gibt, die, wenn ein zweites Licht dorthin gebracht wird, alle Spuren des Schattens auslöscht.

Prinzip der Photometer

Die meisten Photometer erfassen das Licht mit Fotowiderständen , Fotodioden oder Fotovervielfachern . Um das Licht zu analysieren, kann das Photometer das Licht messen, nachdem es einen Filter oder einen Monochromator durchlaufen hat, um es bei definierten Wellenlängen zu bestimmen oder um die spektrale Verteilung des Lichts zu analysieren .

Photonenzählen

Einige Photometer messen Licht, indem sie einzelne Photonen zählen und nicht den einfallenden Fluss . Die Funktionsprinzipien sind die gleichen, aber die Ergebnisse sind in Einheiten wie Photonen / cm ² oder Photonen · cm ^–2 · sr ^–1 anstelle von W / cm ² oder W · cm ^–2 · sr ^{–1 angegeben} .

Aufgrund ihrer individuellen Photonenzählung sind diese Instrumente auf Beobachtungen beschränkt, bei denen die Bestrahlungsstärke gering ist. Die Bestrahlungsstärke wird durch die zeitliche Auflösung der zugehörigen Detektorausleseelektronik begrenzt. Mit der aktuellen Technologie liegt dies im Megahertz-Bereich. Die maximale Bestrahlungsstärke wird auch durch die Durchsatz- und Verstärkungsparameter des Detektors selbst begrenzt.

Das Lichtsensorelement in Photonenzählgeräten in NIR-, sichtbaren und ultravioletten Wellenlängen ist ein Photovervielfacher, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erreichen.

In der Luft und weltraumgestützten Fernerkundung solchen Photonenzähler sind an den Oberlauf des verwendeten elektromagnetischen Spektrums wie das Röntgen zu fernen Ultraviolett . Dies ist normalerweise auf die geringere Strahlungsintensität der gemessenen Objekte sowie auf die Schwierigkeit zurückzuführen, Licht bei höheren Energien unter Verwendung seiner partikelartigen Natur im Vergleich zur wellenförmigen Natur von Licht bei niedrigeren Frequenzen zu messen. Umgekehrt werden typischerweise Radiometer für die Fernerkundung von der verwendeten sichtbar , infrarot obwohl Hochfrequenzbereich.

Fotografie

Photometer werden verwendet, um die korrekte Belichtung in der Fotografie zu bestimmen . In modernen Kameras ist das Photometer normalerweise eingebaut. Da die Beleuchtung verschiedener Teile des Bildes variiert, messen fortschrittliche Photometer die Lichtintensität in verschiedenen Teilen des potenziellen Bildes und verwenden einen Algorithmus, um die am besten geeignete Belichtung für das endgültige Bild zu bestimmen. Anpassen des Algorithmus an den beabsichtigten Bildtyp (siehe Messmodus ). In der Vergangenheit war ein Photometer von der Kamera getrennt und als Belichtungsmesser bekannt . Die fortschrittlichen Photometer könnten dann entweder verwendet werden, um das Licht aus dem potentiellen Bild als Ganzes zu messen, um aus Elementen des Bildes zu messen, um sicherzustellen, dass die wichtigsten Teile des Bildes optimal belichtet sind, oder um das einfallende Licht auf die Szene zu messen mit einem integrierenden Adapter.

Photometrie des Reflexionsvermögens bei sichtbarem Licht

Ein Reflexionsphotometer misst das Reflexionsvermögen einer Oberfläche als Funktion der Wellenlänge. Die Oberfläche wird mit weißem Licht beleuchtet und das reflektierte Licht wird gemessen, nachdem es durch einen Monochromator geleitet wurde. Diese Art der Messung hat hauptsächlich praktische Anwendungen, beispielsweise in der Lackindustrie, um die Farbe einer Oberfläche objektiv zu charakterisieren.

UV- und Transmissionsphotometrie für sichtbares Licht

Dies sind optische Instrumente zur Messung der Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge (oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) von farbigen Substanzen in Lösung. Aus der Lichtabsorption ermöglicht das Beer'sche Gesetz die Berechnung der Konzentration der gefärbten Substanz in der Lösung. Aufgrund seines breiten Anwendungsbereichs und seiner Zuverlässigkeit und Robustheit ist das Photometer zu einem der Hauptinstrumente in der Biochemie und analytischen Chemie geworden . Absorptionsphotometer für Arbeiten in wässriger Lösung arbeiten im ultravioletten und sichtbaren Bereich von Wellenlängen um 240 nm bis 750 nm.

Das Prinzip von Spektrophotometern und Filterphotometern besteht darin, dass (soweit möglich) monochromatisches Licht durch einen Behälter (Zelle) mit optisch flachen Fenstern, die die Lösung enthalten, hindurchtreten kann. Es erreicht dann einen Lichtdetektor, der die Intensität des Lichts im Vergleich zur Intensität nach Durchlaufen einer identischen Zelle mit demselben Lösungsmittel, jedoch ohne die gefärbte Substanz, misst. Aus dem Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten und der Kenntnis der Fähigkeit der gefärbten Substanz, Licht zu absorbieren (der Absorptionsfähigkeit der gefärbten Substanz oder der Photonenquerschnittsfläche der Moleküle der gefärbten Substanz bei einer gegebenen Wellenlänge), ist es möglich zu berechnen die Konzentration der Substanz nach dem Beer'schen Gesetz .

Zwei Typen von Photometer werden verwendet: Spektralphotometer und Filterphotometer. In Spektrophotometern wird ein Monochromator (mit Prisma oder mit Gitter ) verwendet, um monochromatisches Licht einer definierten Wellenlänge zu erhalten. In Filterphotometern werden optische Filter verwendet, um das monochromatische Licht zu erzeugen. Spektralphotometer können somit leicht eingestellt werden, um die Absorption bei verschiedenen Wellenlängen zu messen, und sie können auch verwendet werden, um das Spektrum der absorbierenden Substanz abzutasten. Sie sind auf diese Weise flexibler als Filterphotometer, ergeben auch eine höhere optische Reinheit des Analyselichts und werden daher vorzugsweise zu Forschungszwecken verwendet. Filterphotometer sind billiger, robuster und einfacher zu bedienen und werden daher für Routineanalysen verwendet. Photometer für Mikrotiterplatten sind Filterphotometer.

Infrarotlichttransmissionsphotometrie

Die Spektrophotometrie in Infrarotlicht wird hauptsächlich zur Untersuchung der Struktur von Substanzen verwendet, da bestimmte Gruppen bei definierten Wellenlängen eine Absorption ergeben. Eine Messung in wässriger Lösung ist im Allgemeinen nicht möglich, da Wasser in einigen Wellenlängenbereichen Infrarotlicht stark absorbiert. Daher Infrarotspektroskopie wird entweder in der durchgeführte Gasphase (für flüchtige Substanzen) oder mit den Substanzen zu Tabletten zusammen mit Salzen gedrückt , die im Infrarotbereich transparent sind. Zu diesem Zweck wird üblicherweise Kaliumbromid (KBr) verwendet. Die zu testende Substanz wird gründlich mit speziell gereinigtem KBr gemischt und zu einer transparenten Tablette gepresst, die in den Lichtstrahl gestellt wird. Die Analyse der Wellenlängenabhängigkeit erfolgt im Allgemeinen nicht mit einem Monochromator wie bei UV-Vis, sondern mit einem Interferometer . Das Interferenzmuster kann unter Verwendung von a analysiert wird Fourier - Transformations - Algorithmus . Auf diese Weise kann der gesamte Wellenlängenbereich gleichzeitig analysiert werden, was Zeit spart, und ein Interferometer ist auch kostengünstiger als ein Monochromator. Das im Infrarotbereich absorbierte Licht entspricht nicht der elektronischen Anregung der untersuchten Substanz, sondern verschiedenen Arten der Schwingungsanregung. Die Schwingungsanregungen sind charakteristisch für verschiedene Gruppen in einem Molekül, die auf diese Weise identifiziert werden können. Das Infrarotspektrum weist typischerweise sehr enge Absorptionslinien auf, was sie für die quantitative Analyse ungeeignet macht, aber sehr detaillierte Informationen über die Moleküle liefert. Die Frequenzen der verschiedenen Schwingungsmoden variieren mit dem Isotop, und daher ergeben verschiedene Isotope unterschiedliche Peaks. Dies ermöglicht es auch, die Isotopenzusammensetzung einer Probe mit Infrarotspektrophotometrie zu untersuchen.

Atomabsorptionsphotometrie

Atomabsorptionsphotometer sind Photometer, die das Licht einer sehr heißen Flamme messen. Die zu analysierende Lösung wird mit einer konstanten, bekannten Geschwindigkeit in die Flamme injiziert. Metalle in der Lösung liegen in atomarer Form in der Flamme vor. Das monochromatische Licht in diesem Photometertyp wird von einer Entladungslampe erzeugt, bei der die Entladung in einem Gas mit dem zu bestimmenden Metall stattfindet. Die Entladung emittiert dann Licht mit Wellenlängen, die den Spektrallinien des Metalls entsprechen. Ein Filter kann verwendet werden, um eine der Hauptspektrallinien des zu analysierenden Metalls zu isolieren. Das Licht wird vom Metall in der Flamme absorbiert und die Absorption wird verwendet, um die Konzentration des Metalls in der ursprünglichen Lösung zu bestimmen.

Siehe auch

• Radiometrie
• Raman-Spektroskopie
• Fotodetektor - Ein Wandler, der ein optisches Signal aufnehmen und ein elektrisches Signal erzeugen kann, das die gleichen Informationen wie im optischen Signal enthält.

Verweise

Artikel teilweise basierend auf dem entsprechenden Artikel in der schwedischen Wikipedia