Arbeitsblatt 4.1: Ein Absorptionsphotometer, selbst gebaut

Im Abschnitt über Absorption des Lichts wurde das Lambertsche Gesetz, das die Schwächung der Intensität des Lichts auf dem Weg x durch ein absorbierendes Medium mit dem Absorptionskoeffizienten a beschreibt, in folgender Form dargestellt:

I(x)= I o e −ax

In Experimenten zur Photometrie wird eine Glasküvette der Länge x mit einer Probe befüllt und mit Licht bestrahlt. Am Eintritt in die Küvette (bei x=0) hat die Intensität den Wert Io. Hinter der Küvette wird die durch Absorption verkleinerte Intensität I(x) gemessen. Ziel der Messungen ist die Berechnung des Absorptionskoeffizienten aus den Werten von Io und I(x) und der bekannten Länge x der Küvette.

Zoom Sign
Einstrahl-Photometer
Schematischer Aufbau eines Einstrahl-Absorptionsphotometers. Das Licht der Lichtquelle wird mit einem Monochromator in seine spektralen Anteile zerlegt. Hinter dem Austrittsspalt tritt monochromatisches Licht mit wählbarer Wellenlänge vor. Eine Sammellinse erzeugt ein näherungsweise paralleles Lichtbündel, das die Küvette durchstrahlt. Das verbleibende Licht wird mit einem Fotodetektor in ein zur Intensität proportionales elektrisches Signal gewandelt, das elektronisch weiter verarbeitet werden kann.

Vorschläge zum Bau eines Photometers

Sie benötigen:

  • eine Lichtquelle; Halogenlampen sind wegen ihrer Helligkeit und wegen des breiten Spektrums, das den gesamten sichtbaren Bereich überdeckt, sehr gut geeignet. Ihre Helligkeit ist im blauen Bereich gering und fehlt im Ultraviolett völlig. Ist der blaue Bereich wichtig, dann ist eine LED mit kaltweißer Lichtfarbe eine gute Alternative.
  • Sammellinsen sind z.B. bei Lehrmittelfirmen, aber auch im Online-Handel zu bekommen. Eine Brennweite von ca. 50 mm ist geeignet, um das Licht einer Halogenlampe auf den Eintritt des Spektrographen zu fokussieren. Man kann auch mit Brillengläsern experimentieren. Eine Taschenlampe, deren Licht gut fokussiert werden kann, ist ebenfalls geeignet.
  • einen Monochromator oder ein Spektrograph für die Zerlegung des Lichts in spektral schmale (monochromatische) Anteile. Dies ist eine vergleichsweise teuere Komponente. Eventuell findet er sich in der Sammlung physikalischer Geräte an der Schule und kann hierfür genutzt werden, oder kann von einem Forschungsinstitut entliehen werden. Einen Monochromator aus preiswerten Komponenten selbst zu bauen wäre ein eigenes großes Projekt.
  • Alternativ sind Lichtquellen geeignet, die einfarbig leuchten und daher einen Monochromator entbehrlich machen. Hierfür können LED genutzt werden, die es in fast allen Farben gibt. Ihre Position ist in der Schemazeichnung am Austrittsspalt, der ebenso wie alle anderen weiter links dargestellten Komponenten entfällt. Ihr Licht wird mit einer Sammellinse so gut wie möglich parallelisiert. LED mit klarem Plastikdom sind hierfür sehr viel besser geeignet als LED mit mattem Plastikdom.
  • eine Küvette zur Aufnahme flüssiger Proben. Eine Vase mit viereckigem Querschnitt ist geeignet, wenn die Glasoberflächen nicht zu uneben sind. Bei Laborbedarfsfirmen sind preiswerte Küvetten aus Kunststoff erhältlich. Dort bekommt man auch Pasteur-Pipetten. Mit ihnen kann man Küvetten befüllen und entleeren, ohne sie aus dem Aufbau herausnehmen zu müssen, wodurch die optische Justage erhalten bleibt.
    Kunststoffküvetten
    Küvetten für die Photometrie im chemischen Labor haben meist die Innenmaße 1 cm × 1 cm × 5 cm. Sie sind aus Glas, aber auch wie hier gezeigt preiswert aus Kunststoff erhältlich.
    Die linke Küvette ist speziell für die Photometrie geeignet, da sich jeweils zwei polierte und zwei mattierte Seitenflächen gegenüber stehen. Die mattierten Flächen verringern Reflexionen des durch die polierten Fenster hindurchtretenden Lichts. Die rechts gezeigte vierseitig polierte Küvette ist auch für Fluoreszenzanalysen geeignet, die in einer 90°-Anordnung durchgeführt werden. Manche der verwendeten Kunststoffe werden durch Alkohole angelöst und können daher nur mit wässrigen Proben benutzt werden.
  • einen Fotodetektor. Besonders preiswert und gleichzeitig sehr nachweisempfindlich ist eine Si-Fotodiode, die aus dem einfallenden Licht einen proportionalen Fotostrom erzeugt. Der Fotostrom wird mit einem Ampèremeter, dessen Messbereich mindestens bis 0,1 μA reichen sollte, angezeigt.

Weitere Vorschläge für den Eigenbau des Photometers und Angaben zur Vermeidung von Messfehlern finden Sie in den ergänzenden Hinweisen. Die Datenaufnahme und -auswertung werden im Abschnitt Auswertung von Photometerdaten diskutiert.