Теоретические основы определения оптической плотности раствора

Любая частица, будь то молекула, атом или ион, в результате поглощения кванта света переходит на более высокий уровень энергетического состояния. Чаще всего осуществляется переход из основного в возбужденное состояние. Это вызывает появление в спектрах определенных полос поглощения.

Поглощение излучения приводит к тому, что при пропускании его через вещество интенсивность этого излучения снижается при увеличении количества частиц вещества, обладающего некоторой оптической плотностью. Этот метод исследования предложил В. М. Севергин еще в 1795 году.

Наилучшим образом этот метод годится для реакций, где определяемое вещество способно переходить в окрашенное соединение, что вызывает изменение окраски исследуемого раствора. Измерив его светопоглощение или сравнив окраску с раствором известной концентрации, несложно найти процент содержания вещества в растворе.

Основной закон светопоглощения

Суть фотометрического определения заключается в двух процессах:

• перевод определяемого вещества в поглощающее электромагнитные колебания соединение;
• замер интенсивности поглощения этих самых колебаний раствором исследуемого вещества.

Изменения в интенсивности потока света, проходящего через светопоглощающее вещество, будут вызываться также потерями света из-за отражения и рассеяния. Чтобы результат был достоверным, проводят параллельные исследования по замеру параметров при той же толщине слоя, в идентичных кюветах, с тем же растворителем. Так снижение интенсивности света зависит главным образом от концентрации раствора.

Уменьшение интенсивности света, пропущенного через раствор, характеризуют (также принято называть его пропусканием) Т:

Т = I / I 0 , где:

• I — интенсивность света, пропущенного через вещество;
• I 0 — интенсивность падающего пучка света.

Таким образом, пропускание показывает долю непоглощенного светового потока, проходящего через изучаемый раствор. Обратный алгоритм значения пропускания называют оптической плотностью раствора (D): D = (-lgT) = (-lg) * (I / I 0) = lg * (I 0 / I).

Это уравнение показывает, какие параметры являются главными для исследования. К ним относится длина волны света, толщина кюветы, концентрация раствора и оптическая плотность.

Закон Бугера-Ламберта-Бера

Он является математическим выражением, отображающим зависимость уменьшения интенсивности монохроматического потока света от концентрации светопоглощающего вещества и толщины жидкостного слоя, через который он пропущен:

I = I 0 * 10 -ε·С·ι , где:

• ε — коэффициент поглощения света;
• С — концентрация вещества, моль/л;
• ι —толщина слоя анализируемого раствора, см.

Преобразовав, эту формулу можно записать: I / I 0 = 10 -ε·С·ι .

Суть закона сводится к следующему: различные растворы одного и того же соединения при равной концентрации и толщине слоя в кювете поглощают одинаковую часть падающего на них света.

Прологарифмировав последнее уравнение, можно получить формулу: D = ε * С * ι.

Очевидно, что оптическая плотность напрямую зависит от концентрированности раствора и толщины его слоя. Становится ясен физический смысл молярного коэффициента поглощения. Он равен D для одномолярного раствора и при толщине слоя в 1 см.

Ограничения применения закона

Этот раздел включает следующие пункты:

1. Он справедлив исключительно для монохроматического света.
2. Коэффициент ε связан с показателем преломления среды, особенно сильные отклонения от закона могут наблюдаться при анализе высококонцентрированных растворов.
3. Температура при измерении оптической плотности должна быть постоянной (в рамках нескольких градусов).
4. Световой пучок должен быть параллельным.
5. рН среды должен быть постоянным.
6. Закон применим для веществ, светопоглощающими центрами которых являются частицы одного вида.

Методы определения концентрации

Стоит рассмотреть метод градуировочного графика. Для его построения готовят ряд растворов (5-10) с различной концентрацией исследуемого вещества и замеряют их оптическую плотность. По полученным значениям выстраивают график зависимости D от концентрации. График является прямой линией, идущей от начала координат. Он позволяет легко определить концентрацию вещества по результатам проведенных измерений.

Также существует метод добавок. Применяется реже, чем предыдущий, но позволяет проанализировать растворы сложного состава, поскольку учитывает влияние дополнительных компонентов. Суть его состоит в определении оптической плотности среды D x , содержащей определяемое вещество неизвестной концентрации С х, с повторным анализом того же раствора, но с добавлением определенного количества исследуемого компонента (С ст). Величину С х находят, используя расчеты или графики.

Условия проведения исследования

Чтобы фотометрические исследования давали достоверный результат, необходимо соблюдать несколько условий:

• реакция должна заканчиваться быстро и полностью, избирательно и воспроизводимо;
• окраска образующегося вещества должна быть устойчива во времени и не изменяться под действием света;
• исследуемое вещество берут в количестве, которого достаточно для перевода его в аналитическую форму;
• замеры оптической плотности проводят в том интервале длин волн, при котором различие в поглощении исходных реагентов и анализируемого раствора наибольшее;
• светопоглощение раствора сравнения принято считать оптическим нулем.

Оптическая плотность D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F 0 , падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F , прошедшему через этот слой: D = lg (F 0 /F ), иначе, О. п. есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t ). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзеном ; оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях. Особенно широко О. п. пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии . Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис. ).

О. п. зависит от набора частот n (длин волн l ), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной n называется монохроматической О. п. Регулярная (рис. , а)монохроматическая О. п. слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна 0,4343 k n l , где k n - натуральный поглощения показатель среды, l - толщина слоя (k n l = k cl - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закона ; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k n заменяется на натуральный ослабления показатель ). Для смеси нереагирующих веществ или совокупносги расположенных одна за другой сред О. п. этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же О. п. отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической О. п. (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от n ) поглощением. Регулярная немонохроматич. О. п. совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы О. п. этих сред. (О приборах для измерения О. п. см. в статьях Денситометр , Микрофотометр , Спектрозональная аэрофотосъёмка , Спектросенситометр , Спектрофотометр , Фотометр .)

Лит.: Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963; Джеймс Т., Хиггинс Дж., Основы теории фотографического процесса, пер. с англ., М., 1954.

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ

плотность D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F 0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F , прошедшему через этот слой: D lg (F 0/ F), иначе, О. п. есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D lg (1/t). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзеном;оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях. Особенно широко О. п. пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис.).

О. п. зависит от набора частот n (длин волн l), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной n называется монохроматической О. п. Регулярная (рис. , а) монохроматическая О. п. слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна 0,4343 k n l , где k n- натуральный поглощения показатель среды, l - толщина слоя (k n l k cl - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закона; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k n заменяется на натуральный ослабления показатель). Для смеси нереагирующих веществ или совокупносги расположенных одна за другой сред О. п. этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же О. п. отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической О. п. (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от n) поглощением. Регулярная немонохроматич. О. п. совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы О. п. этих сред. (О приборах для измерения О. п. см. в статьях Денситометр, Микрофотометр, Спектрозональная аэрофотосъёмка, Спектросенситометр, Спектрофотометр, Фотометр.)

Лит.: Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963; Джеймс Т., Хиггинс Дж., Основы теории фотографического процесса, пер. с англ., М., 1954.

Л. Н. Капорский.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012

Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:

• ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в Медицинских терминах:
  величина, характеризующая поглощение света слоем вещества и представляющая собой логарифм отношения интенсивности потока излучения до и после прохождения через поглощающую …
• ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
  
• ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
  мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения Fо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного …
• ПЛОТНОСТЬ в Словаре автомобильного жаргона:
  (density) - это отношение массы тела к его объему. Выражается в кг/дм3 или в кг/м3. Объем зависит от температуры (в …
• ПЛОТНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
  (?) масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют …
• ПЛОТНОСТЬ
  (r), физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объёма. П. неоднородного вещества - предел отношения массы к …
• ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
  Плотность воды при 4° Ц. = 1, 000013 грамм / сантиметр 3 Для вещества неоднородной П., средняя П. части тела …
• ПЛОТНОСТЬ в Современном энциклопедическом словаре:
  
• ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словарике:
  (r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность …
• ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре:
  , -и, ж. 1. см. плотный. 2. Масса единичного объема вещества (спец.). П. воды. II прил. плотностный, -ая, -ое …
• ПЛОТНОСТЬ
  ПЛ́ОТНОСТЬ ТОКА, одна из осн. характеристик электрич. тока; равна электрич. заряду, переносимому в 1 с через единичную площадку, перпендикулярную направлению …
• ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ПЛ́ОТНОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ, степень населённости конкретной терр., численность постоянного населения, приходящаяся на единицу площади (обычно 1 км 2). При ср. …
• ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ПЛ́ОТНОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ случайной величины X , функция р (х) такая, что при любых а и b вероятность неравенства …
• ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ПЛ́ОТНОСТЬ (r), масса единичного объёма в-ва. Величина, обратная удельному объёму. Отношение П. двух в-в наз. относительной П. (обычно П. в-в …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА, произведение объёмного коэф. ослабления света средой на геом. длину пути светового луча в среде. Характеризует ослабление света в …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ СИЛА, величина, характеризующая преломляющую способность линзы (системы линз); измеряется в диоптриях; О.с. обратна фокусному расстоянию в …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, связь посредством эл.-магн. колебаний оптич. диапазона (10 13 - 10 15 Гц), обычно с применением лазеров. Системы О.с. …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ, мера непрозрачности в-ва, равная десятичному логарифму отношения потока излучения F 0 , падающего на слой в-ва, к потоку …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ, устройство, в к-ром лучистая энергия от к.-л. источника с помощью системы отражателей фокусируется на небольшую площадку (обычно диам. …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ОСЬ: кристалла - направление в кристалле, вдоль к-рого скорость света не зависит от ориентации плоскости поляризации света. Свет, распространяющийся …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ НАКАЧКА, метод создания инверсии населённости в в-ве воздействием интенсивного эл.-магн. излучения более высокой частоты, чем частота требуемого квантового инверсионного …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ, обнаружение удалённых объектов, измерение их координат, а также распознавание их формы с помощью эл.-магн. волн оптич. диапазона. Оптич. …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ, то же, что …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ, произведение длины пути светового луча на показатель преломления среды (путь, к-рый прошёл бы свет за то же …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ, различие оптич. свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. О.а. …
• ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОПТ́ИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, свойство нек-рых в-в вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. Оптически активные в-ва бывают двух типов. …
• ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедии Брокгауза и Ефрона:
  (densite, Dichtigkeit) ? по самому происхождению слова указывает на некоторое физическое свойство вещества, по которому количество вещества, помещающегося в единице …
• ПЛОТНОСТЬ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
  пло"тность, пло"тности, пло"тности, пло"тностей, пло"тности, пло"тностям, пло"тность, пло"тности, пло"тностью, пло"тностями, пло"тности, …
• ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русской деловой лексики:
  Syn: густота, …
• ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русского языка:
  Syn: густота, …
• ПЛОТНОСТЬ в словаре Синонимов русского языка:
  Syn: густота, …
• ПЛОТНОСТЬ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
  1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его …
• ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Лопатина:
  пл`отность, …
• ПЛОТНОСТЬ в Полном орфографическом словаре русского языка:
  плотность, …
• ПЛОТНОСТЬ в Орфографическом словаре:
  пл`отность, …
• ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Ожегова:
  масса единичного обzема вещества Spec П. воды. плотность <= …
• ПЛОТНОСТЬ в Современном толковом словаре, БСЭ:
  (?) , масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ …
• ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
  плотности, ж. 1. только ед. Отвлеч. сущ. к плотный. Плотность населения. Плотность ткани. Плотность воздуха. Плотность огня (воен.). 2. Масса …
• ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре Ефремовой:
  плотность 1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его …
• ПЛОТНОСТЬ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
  
• ПЛОТНОСТЬ в Большом современном толковом словаре русского языка:
  I ж. отвлеч. сущ. по прил. плотный II ж. Отношение массы тела к его …
• ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ в Большом энциклопедическом словаре:
  различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. Оптическая анизотропия выражается …
• ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
  свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У …
• СССР. РСФСР, АВТОНОМНЫЕ РЕСПУБЛИКИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  республики Башкирская АССР Башкирская АССР (Башкирия) образована 23 марта 1919. Расположена в Предуралье. Площадь 143,6 тыс. км2. Население 3833 тыс. …
• РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА) в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  света, в широком смысле - то же, что и преломление света, т. е. изменение направления световых лучей при изменении …

Для определения готовят эталонный раствор определяемого вещества известной концентрации, которая приближается к концентрации исследуемого раствора. Определяют оптическую плотность этого раствора при определенной длине волны . Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора при той же длине волны и при той же толщине слоя. Для эталонного раствора согласно уравнению (17) имеем:

где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - толщина слоя, см.

Оптическая плотность исследуемого раствора выражается такой же формулой:

где - концентрация исследуемого раствора, .

Количество определяемого вещества (в мг) с учетом разбавления раствора находим по формуле:

где - общий объем исследуемого раствора, ; - объем окрашенного исследуемого раствора, - объем аликвотной части исследуемого растаора, взятой для приготовления окрашенного раствора, .

Определение к онцентраци и вещества в растворе по значению молярного коэффициента поглощения

Определив значение оптической плотности -раствора при длине волны к и зная значение молярного коэффициента поглощения . определяемого вещества для лучей длины волны X, находим по формуле (17) значение концентрации исследуемого вещества :

Количество определяемого вещества (в г) находим по формуле:

где - молекулярный (атомный) вес определяемого вещества (иона).

Значение молярного коэффициента поглощения . устанавливают следующим образом. Готовят эталонный раствор исследуемого вещества определенной концентрации и измеряют значение оптической плотности этого раствора при длине волны к и значение . вычисляют по формуле:

Если вещество трудно получить в чистом виде, то можно пользоваться табличным значением .

Определение концентрации вещества с помощью калибровочного графика

Функциональная зависимость между оптической плотностью раствора и концентрацией поглощающего вещества может быть установлена графически. Для этого предварительно готовят серию растворов определяемого вещества различной концентрации (эталонные растворы). Измеряют значения оптической плотности этих растворов для лучей с длиной волны X и по полученным данным строят кривую зависимости оптической плотности раствора от концентрации (калибровочный график). На ось ординат наносят значения оптической плотности эталонных растворов , а на ось абсцисс - соответствующие значения концентраций этих растворов (). Для получения более точных результатов рассчитывают, пользуясь методом наименьших квадратов, уравнение для калибровочного графика.

Определив значение оптической плотности исследуемого раствора при той же толщине слоя, можно найти концентрацию определяемого вещества по полученному калибровочному графику. Если раствор не подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера, то прямолинейная зависимость нарушается на некотором участке кривой или на всей кривой. В этом случае необходимо увеличить число эталонных растворов. Концентрацию эталонных растворов обычно выражают в . Количество определяемого вещества в миллиграммах определяют по формуле (23).

Определение концентрации вещества методом «уравнивания» или методом изменения толщины поглощающего слоя

Оптическую плотность исследуемого раствора определяют по формуле:

где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - концентрация определяемого вещества, ; - толщина слоя, см.

На использовании этого равенства основано устройство колориметра погружения (колориметр Дюбоска), в котором тождественность цвета достигается изменением толщины слоя растворов. Оптическая схема колориметра погружения дана на рис. 96. Один световой поток от зеркала 1 проходит через слой исследуемого раствора в кювете 2, цилиндр 4, призму 6, линзы 8 и 9 и попадает в окуляр, освещая правую половину оптического поля. Другой световой поток проходит через слой стандартного раствора в кювете 3, цилиндр 5, призму 7, линзы 8 и 9, попадает в окуляр, освещая левую половину оптического поля. Кюветы 2 и 3 установлены на держателях, которые при помощи шестеренок и реек передвигаются вертикально. Стеклянные цилиндры 4 и 5 с отшлифованными концами укреплены неподвижно. Перемещая кюветы 2 и 3 по вертикали, меняют высоту столбов раствора и добиваются исчезновения границ раздела в окуляре оптического поля. Высоты столбов эталонного раствора и исследуемого раствора отсчитывают по миллиметровой шкале.

Тела, пропускающие и поглощающие свет (кроме матовых и мутных сред), характеризуются оптической прозрачностью θ, непрозрачностью О и оптической плотностью D.

Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.

В фотографии оптическая плотность наиболее распространена для выражения спектральных свойств светофильтров и меры почернения (потемнения) негативов и позитивов. Величина плотности зависит от таких одновременно действующих факторов: структуры падающего светового потока (сходящихся, расходящихся, параллельных лучей или рассеянного света) структуры прошедшего или отраженного потока (интегрального, регулярного, диффузного).

Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t).

В определении оптической плотности иногда десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.

Понятие Оптическая плотность введено Р. Бунзеном; оно используется для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях.

Особенно широко оптическая плотность используются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов Оптическая плотность в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения

Различается плотность D для белого света, монохроматическая D λ для отдельных длин волн и зональная D зон, выражающая ослабление светового потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (D c 3 , D 3 3 , D K 3).

Плотность прозрачных сред (светофильтров, негативов) определяется в проходящем свете десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания τ:

D τ = lg(1/τ) = -lgτ

Плотность поверхностей выражается величиной отраженного света и определяется десятичным логарифмом коэффициента отражения ρ:

D ρ = lg (1/ ρ) = - lg ρ.

Величина плотности D = l ослабляет свет в 10 раз.

Интервал оптических плотностей прозрачных сред практически неограничен: от полного пропускания света (D = 0) до его полного поглощения (D = 6 и более, ослабление в миллионы раз). Интервал плотностей поверхностей предметов ограничен содержанием в их отраженном свете поверхностно отраженной составляющей порядка 4-1 % (черная типографская краска, черное сукно). Практически предельные плотности D = 2,1...2,4 имеют черный бархат и черный мех, ограничиваемые поверхностно отраженной составляющей порядка 0,6-0,3 %.

Оптическая плотность связана простыми зависимостями с концентрацией светопоглощающего вещества и со зрительным восприятием наблюдаемого объекта – его светлотой, чем и объясняется широкое использование этого параметра.

Заменив оптические коэффициенты на потоки излучения – упавший на среду (Ф 0) и вышедший из нее (Фτ или Фρ), получим выражения

Чем больше света поглощается средой, тем она темнее и тем выше ее оптическая плотность как в проходящем так и в отраженном свете.

Оптическая плотность может быть определена по световым коэффициентам. В этом случае ее называют визуальной.

Визуальная плотность в проходящем свете равна логарифму величины, обратной световому коэффициенту пропускания:

Визуальная плотность в отраженном свете определяется по формуле

Для нейтрально-серых оптических сред. т.е. для серых светофильтров, серых шкал, черно-белых изображений, оптические и световые коэффициенты совпадают, поэтому совпадают и оптические плотности:

Если известно, о какой плотности идет речь, индекс при D опускают. Описанные выше оптические плотности – интегральные , они отражают изменение мощностных характеристик белого (смешанного) излучения. Если оптическая плотность измеряется для монохроматического излучения, то ее называют монохроматической (спектральной). Она определяется с использованием монохроматических потоков излучения Ф λ по формуле

В приведенных выше формулах лучистые потоки Ф, могут быть заменены на световые потоки F λ , что следует из выражения

Поэтому можно записать:

Для цветных сред интегральные оптическая и визуальная плотности не совпадают, так как они рассчитываются по разным формулам:

Для фотоматериалов с прозрачной подложкой оптическая плотность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D 0 .

Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например, светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Графически характеристика поглощения выражается кривой зависимости оптической плотности D от длины волны белого света λ, нм.

Оптическая прозрачность Θ – характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления: Θ = Ф τ /Ф.

Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием, и характеризует одновременно поглощение и рассеяние. Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.

Оптическую прозрачность определяет кривая спектрального пропускания для длин волн оптического диапазона излучений. Прозрачность объективов для белого света увеличивается при нанесении на линзы просветляющих покрытий. Прозрачность атмосферы зависит от наличия в ней мелких частиц пыли, газа, водяных паров, находящихся во взвешенном состоянии и влияющих на характер освещения и рисунок изображения при съемке. Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.

Оптическая непрозрачность О – отношение падающего светового потока к прошедшему через слой – величина, обратная прозрачности: О = Ф/Ф τ = l/Θ. Непрозрачность может изменяться от единицы (полное пропускание) до бесконечности и показывает, во сколько раз уменьшается свет, проходя через слой. Непрозрачность характеризует плотность среды. Переход к оптической плотности выражается десятичным логарифмом непрозрачности:
D = lg О =lg (l/τ) = - lg τ .

Спектральные отличия тел. По характеру излучения и поглощения светового потока все тела отличаются от ЧТ и условно делятся на селективные и серые, отличающиеся избирательным и неизбирательным поглощением, отражением и пропусканием. К селективным относятся хроматические тела, обладающие какой-либо цветностью, к серым – ахроматические. Термин «серый» характеризуется двумя признаками: характером излучения и поглощения относительно ЧТ и цветом поверхности, наблюдаемым в обиходе. Второй признак широко используется при визуальном определении цвета ахроматических тел – белых, серых и черных, отражающих спектр соответственно белого света от единицы до нуля.

Серое тело обладает степенью поглощения света, близкой к поглощению ЧТ. Коэффициент поглощения ЧТ равен 1, а серого тела – близок к 1 и также не зависит от длины волны излучения или поглощения. Распределение энергии, излучаемой по спектру, у серых тел для каждой данной температуры подобно распределению энергии ЧТ при той же температуре, но интенсивность излучения меньше в несколько раз (рис. 23).

Для несерых тел поглощение избирательно и зависит от длины волны, поэтому они считаются серыми лишь в определенных, узких интервалах длин волн, для которых коэффициент поглощения приблизительно постоянен. В видимой области спектра свойствами серого тела обладают уголь (α = 0,8)< сажа (α = 0,95) и платиновая чернь (α = 0,99).

Селективные (избирательные) тела обладают цветом и характеризуются кривыми зависимости коэффициентов отражения, пропускания или поглощения от длины волны падающего излучения. При освещении белым светом цвет поверхности таких тел определяется по максимальным величинам кривой спектрального отражения илипо минимальной величине кривой спектрального поглощения. Цвет прозрачных тел (светофильтров) определяется в основном кривой поглощения (плотностью D) или кривой пропускания τ. Кривые спектрального поглощения и пропускания характеризуют вещество селективных тел только для белого света. При их освещении цветным светом кривые спектрального отражения или пропускания меняются.

Белый, серый и черный цвет тел – это визуальное ощущение ахроматичности, применимое к отражению поверхностей и пропусканию прозрачных сред. Ахроматичность графически выражается горизонтальной прямой или едва заметной волнистой линией, параллельной оси абсцисс и расположенной на различном уровне оси ординат в световом диапазоне длин волн (рис. 24, а, б, в). Ощущение белого цвета создают поверхности с наибольшим равномерным коэффициентом

отражения по спектру (ρ = 0,9...0,7 – белые бумаги). Поверхности серого цвета имеют равномерный коэффициент отражения р = 0,5...0,05. Черные поверхности имеют ρ = 0,05...0,005 (черное сукно, бархат, мех). Разграничение это приблизительно и условно. Для прозрачных сред (например нейтральных серых светофильтров) характеристика ахроматичности также выражается горизонтальной линией поглощения (плотностью D, показывающей в какой степени ослабляется белый свет).

Светлота поверхности – это относительная степень зрительного ощущения, возникающего в результате действия цвета отраженного излучения на три цветоощущающих центра зрения. Графически светлота выражается суммарной плотностью этого излучения в диапазоне белого света. В общей светотехнике светлота неправильно используется для зрительной количественной оценки различия двух смежных поверхностей, различающихся по яркости.

Светлота белой поверхности, освещенной белым светом. В качестве 100 %-ной принимается светлота идеально белой поверхности (покрытой сернокислым барием или магнием) с ρ = 0,99. При этом характеризующая ее площадь на графике (рис. 24, а) ограничивается линией светлоты на уровне ρ = 1 или 100 %. На практике белыми считаются поверхности, светлота которых соответствует 80-90 % (ρ = 0,8...0,9). Линия светлоты серых поверхностей приближается к оси абсцисс (рис. 24, е), поскольку они отражают часть белого света. Линия светлоты черного бархата, практически не отражающего света, совмещается с осью абсцисс.

Светлота цветных поверхностей, освещенных белым светом, определяется на графике площадью, ограниченной кривой спектрального коэффициента отражения. Поскольку бесформенная площадь не может отразить количественную степень светлоты, она переводится в площадь прямоугольника с основанием на оси абсцисс (рис. 24, г, д, е). Высота прямоугольника определяет светлоту в процентах .

Светлота цветных поверхностей, освещенных цветным светом , выражается на графике площадью, ограниченной результирующей кривой, полученной в результате перемножения спектральной характеристики освещения на спектральную характеристику отражения, поверхности. Если цвет освещения не совпадает с цветом поверхности, то отраженный свет изменяет свой цветовой тон, насыщенность и светлоту.