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Photometrie bezeichnet sämtliche Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen und sich dem sichtbaren Licht bedienen. Photometrie wird eingesetzt, um quantitative Messungen an Lösungen oder anderen Farbstoffen durchzuführen. Die gängigste Methode ist hierbei die Messung über die Transmission, also den Durchgang des Lichtes durch das optische Medium. Es sind aber auch Messungen über Reflexion möglich, also die Spiegelung des Lichtes, die eher…
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Jetzt kostenlos anmeldenPhotometrie bezeichnet sämtliche Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen und sich dem sichtbaren Licht bedienen. Photometrie wird eingesetzt, um quantitative Messungen an Lösungen oder anderen Farbstoffen durchzuführen. Die gängigste Methode ist hierbei die Messung über die Transmission, also den Durchgang des Lichtes durch das optische Medium. Es sind aber auch Messungen über Reflexion möglich, also die Spiegelung des Lichtes, die eher bei festen Oberflächen gebraucht werden.
In der folgenden Abbildung siehst du den Aufbau eines Photometers:
Lass uns die Abbildung einmal gemeinsam von links nach rechts durchgehen:
Links befindet sich eine Lichtquelle, die beispielsweise eine Glühbirne sein kann. Aus einer Glühbirne und den meisten anderen Lichtquellen kommt (warm-)weißes Licht. Weißes Licht ist polychromatisch ("vielfarbig"), da es aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen mit unterschiedlichen Farben, die für uns insgesamt weiß wirken, besteht. Die einfachste Möglichkeit, um zu sehen, dass das Licht polychromatisch ist, ist mit einem Prisma das Licht zu brechen. Wenn du ein Spektrum siehst, das Licht also in viele unterschiedliche Farben aufspaltet, hast du gerade polychromatisches Licht vor dir.
Das Problematische an dem polychromatischen Licht ist, dass es für unsere Messung noch nutzlos ist. Jede Probe absorbiert Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. So kann weder die absorbierte Wellenlänge noch die Menge des absorbierten Lichtes gemessen werden. Daher wird ein Monochromator vor die Probe geschaltet, der gezielt eine Wellenlänge des Lichtes durchlässt. Die Wellenlänge, die durchgelassen wird, kann hierbei zuvor eingestellt werden.
Es gibt unterschiedliche Monochromatoren. Der einfachste besteht aus dem bereits oben erwähnten Prisma. Stell dir vor, du hältst dein Prisma vor die Lichtquelle und siehst, wie sich das Licht aufspaltet. Nun musst du nur mit einer Blende alle anderen Lichtstrahlen abblocken, damit nur die von dir gewünschte Wellenlänge hindurchkommt. Schon hast du monochromatisches ("einfarbiges") Licht!
Das Licht geht nun mit einer gewissen Anfangsintensität I0 durch die Probe hindurch. Diese befindet sich in einer sogenannten Küvette. Für die Probe gibt es aber zunächst einige Anforderungen:
Nun geht das Licht durch die Probe hindurch, verliert an Intensität und besitzt daher nur noch die Intensität I.
Das Licht mit der Intensität I wird nun von dem Detektor aufgefangen, der eine Messung der Intensität durchführt. Aus der dem Photometer bekannten Anfangsintensität und der Intensität nach der Transmission durch die Lösung mit der Probe berechnet das Photometer den Wert für die Extinktion.
Was ist nun also Extinktion?
Die Extinktion ist der dekadische Logarithmus des Verhältnisses der Anfangsintensität und der Intensität nach Probendurchgang.
Als Formel sieht dies wie folgt aus:
Du darfst die Extinktion nicht mit der Absorption verwechseln, denn die Extinktion umfasst alle lichtschwächenden Ereignisse.
Folgende lichtschwächenden Ereignisse können in deiner Probe auftreten:
Um die Absorption daher spezifisch messen zu können, musst du folgende Dinge beachten:
Hast du diese Schritte befolgt, misst du erfolgreich mit der Extinktion auch ausschließlich die Absorption.
Doch was kannst du mit der Extinktion nun anstellen? Hier kommt auch schon das Lambert-Beer'sche Gesetz zu Hilfe. Dieses stellt die Extinktion nun in Verbindung zu unserem Stoff, dessen Konzentration und der Schichtdicke des optischen Mediums dar.
Das Lambert-Beer'sche Gesetz besagt, dass die Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge gleich dem molaren, dekadischen Extinktionskoeffizienten ε, (spezifische Konstante für eine Wellenlänge λ und einen Stoff) mal der Konzentration c der Probe in der Lösung, mal der Schichtdicke des optischen Mediums ist.
Die Schichtdicke ist sozusagen die Breite der Küvette, die in der Regel auf 1 cm genormt ist.
Die Formel für das Lambert-Beer'sche Gesetz :
Links steht die Definition der Extinktion über den dekadischen Logarithmus des Intensitätenverhältnisses. Rechts siehst du das Lambert-Beer'sche Gesetz.
Bleibt nun also die Schichtdicke konstant, sowie der molare, dekadische Extinktionskoeffizient, so gibt es hier eine lineare Funktion. Diese Gerade steigt mit steigender Konzentration der Probe in der Lösung.
Wichtig: Lambert-Beer'sche Gesetz gilt nur bei kleinen Konzentrationen des Farbstoffes. Es gibt so gesehen eine Obergrenze für die Extinktion. Stell dir dies so vor: Deine Lösung ist schwarz, es kommt also kein Licht mehr durch. Gibst du mehr Farbstoff hinzu, steigt zwar die Konzentration, aber noch schwarzer kann die Lösung nicht mehr werden.
In der Regel reicht es zur Konzentrationsbestimmung eines Analyten in der Probe die Extinktion oder die Absorption der Lösung zu messen. Möchte man aber seinen Analyten genauer charakterisieren, kann es sein, dass man ein Spektrum aufnehmen muss.
In der Regel wird hierfür bei jeder Wellenlänge einzeln die Extinktion bei festgelegter Konzentration und Schichtdicke gemessen. Da du aber nicht an deinem Photometer stehen möchtest, jede Wellenlänge einzeln zuerst kalibrieren und dann messen möchtest, werden heutzutage moderne Spektrometer verwendet, die diese Aufgabe für dich übernehmen.
Sobald von Spektren die Rede ist, befinden wir uns übrigens nicht mehr in der einfachen Photometrie, sondern schon in der Spektroskopie oder genauer gesagt, der UV/VIS-Spektroskopie. Der Name rührt daher, dass diese Spektren vom UV- bis zum sichtbaren (visible) Bereich des Lichtes aufgenommen werden.
Der UV-Bereich befindet sich bei Wellenlängen von 100 bis 380 nm und der sichtbare Bereich bei Wellenlängen von 380 bis 780 nm.
Stell dir vor, du hast eine Lösung mit unbekannter Konzentration eines dir bekannten Analyten, den wir nun Lernstoff nennen. Du siehst, dass die Lösung mit Lernstoff rot aussieht und aus dem StudySmarter Kapitel über Farbstoffe weißt du vielleicht auch schon, dass Stoffe immer in der Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe erscheinen.
Du nimmst dir einen mit Wellenlängen beschrifteten Farbkreis zur Hand und siehst, dass die Komplementärfarbe zu dem von dir gesehenen Rot, blaugrün ist und entscheidest dich daher, mehrere Messungen mit von dir angesetzten Proben mit Lernstoff bei unterschiedlicher Konzentration bei einer Wellenlänge von 640 nm durchzuführen.
Die Messung war ein voller Erfolg, du hast fünf Messungen durchgeführt und so folgende Wertetabelle erhalten:
Konzentration von Lernstoff in mol / l | Extinktion |
0,1 | 0,09 |
0,3 | 0,27 |
0,6 | 0,54 |
0,8 | 0,72 |
1,0 | 0,9 |
Probiere nun einmal ein Diagramm aus diesen Werten zu zeichnen. Schreibe auf die x-Achse dabei die Konzentration. Es bietet sich an, hier in 0,1er-Schritten zu gehen. Auf der y-Achse solltest du die Extinktion auftragen, die übrigens keine Einheit besitzt.
So sollte dein Diagramm in etwa aussehen. Nun misst du zuletzt deine Probe mit unbekannter Konzentration an Lernstoff. Hierfür erhältst du eine Extinktion von 0,7. Die Konzentration der Probe kannst du einfach aus dem Diagramm ablesen, wenn du auf der y-Achse auf der Höhe der Extinktion 0,7 bis zur Geraden gehst. Von dort gehst du an die x-Achse und liest den dortigen Wert ab. Fertig? Hier müsstest du ungefähr 0,78 mol / l für die Konzentration der Probe herausbekommen und so einfach kann es gehen!
Übrigens, den molaren, dekadischen Extinktionskoeffizienten erhältst du hier aus der Steigung, beachte aber, diese noch durch deine Schichtdicke von 1 cm zu teilen!
Photometrie bezeichnet sämtliche lichtbasierte Messverfahren, die mit einem Photometer ablaufen.
Ein Photometer hat immer denselben Aufbau:
Lichtquelle
Monochromator
Probe in Küvette
Detektor.
Das Lambert-Beersche Gesetz lautet gemeinsam mit der Definition für die Extinktion:
Die Extinktion umfasst alle lichtschwächenden Ereignisse:
Absorption
Reflexion
Brechung des Lichtes an kleinsten Partikeln.
Das sichtbare Licht liegt im Bereich von 380 bis 780 nm.
Das UV-Licht liegt im Bereich von 100 bis 380 nm.
Nimmt man Spektren auf, spricht man nicht mehr von Photometrie, sondern von UV/VIS-Spektroskopie.
Bei der Photometrie wird polychromatisches Licht aus einer Lichtquelle ausgesandt. Dieses Licht wird durch einen Monochromator geschickt, sodass nur eine einzelne Wellenlänge gemessen wird. Dieses nun monochromatische Licht durchläuft die Probe und verliert daher einen Teil seiner Intensität. Ein Maß für das Verhältnis der Intensität vor und nach Durchlauf der Probe bietet die Extinktion, die ebenfalls von der Konzentration des Stoffes in der Probe und der Schichtdicke des optischen Mediums abhängt.
Bei der Photometrie wird die Extinktion gemessen, die den dekadischen Logarithmus von dem Verhältnis aus der Anfangsintensität eines Lichtstrahls und der Intensität nach Durchlauf der Probe beschreibt. Es gilt also: .
Alle Stoffe können photometrisch bestimmt werden, solange sie bei einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich absorbieren. Optisch würden diese Stoffe also alle farbig erscheinen. Sie können organisch, aber auch anorganisch sein.
Der Photometrie liegt das Prinzip zugrunde, dass jeder Farbstoff spezifisch bei einer bestimmten Wellenlänge abhängig von der Konzentration und der Schichtdicke absorbiert. Dieser Zusammenhang wird im Lambert-Beer'schen Gesetz beschrieben, dass wie folgt lautet: .
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