Явление поглощения света. Что значит "поглощение света"

Поглощение света .
 Свет, проходя через любое вещество, в той или иной мере в нем поглощается. Обычно поглощение носит селективный характер, т. е. свет различных длин волн поглощается различно. Так как длина волны определяет цвет света, то, следовательно, лучи различных цветов, вообще говоря, поглощаются в данном веществе по-разному.
 Прозрачными неокрашенными телами являются тела, дающие малое поглощение света всех длин волн, относящихся к интервалу видимых лучей. Так, стекло поглощает в слое толщиной в 1 см лишь около 1 % проходящих через него видимых лучей. То же стекло сильно поглощает ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи.
 Цветными прозрачными телами являются тела, обнаруживающие селективность поглощения в пределах видимых лучей.

• Например, "красным" является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые, синие и фиолетовые.
• Если на такое стекло падает белый свет, представляющий собой смесь волн различных длин, то через него пройдут лишь более длинные волны, вызывающие ощущение красного цвета, более же короткие волны будут поглощены.
• При освещении того же стекла зеленым или синим светом оно покажется "черным", так как стекло поглощает эти лучи.

С точки зрения теории упруго связанных электронов поглощение света вызвано тем, что проходящая световая волна возбуждает вынужденные колебания электронов. На поддержание колебаний электронов идет энергия, которая затем переходит в энергию других видов.
 Если в результате столкновений между атомами энергия колебаний электронов переходит в энергию беспорядочного молекулярного движения, то тело нагревается.
 Поглощение света можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.
 Пусть через однородное вещество распространяется пучок параллельных лучей (рис.).

Выделим в этом веществе бесконечно тонкий слой толщиной dl , ограниченный параллельными поверхностями, перпендикулярными к направлению распространения света.
 Плотность потока энергии и изменится при прохождении лучей через этот слой на величину −du . Естественно положить это уменьшение −du пропорциональным значению самой плотности потока энергии в данном поглощающем слое и его толщине dl :
−du = kudl . (1)
 Коэффициент k определяется свойствами поглощающего вещества, он носит название коэффициента поглощения. Постоянство коэффициента k указывает на то, что в каждом слое поглощается одна и та же доля потока, дошедшего до слоя.
 Для получения закона убывания плотности потока энергии в слое конечной толщины l перепишем выражение (1) в виде:
du/u = -kdl
и затем проинтегрируем его в пределах от 0 до l :
0 l ∫(du/u) = −k 0 l ∫dl .
Пусть в начале слоя (l = 0 ) плотность потока равна u0. Обозначим через u то значение, которое она приобретает, когда поток пройдет толщу вещества l . Тогда в результате интегрирования получим:
lnu − lnu o = −kl или ln(u/u o) = −kl ,
откуда
u = u o e −kl , (2)
где е − основание натуральных логарифмов.
 Чем больше коэффициент поглощения k , тем сильнее поглощается свет. При l = 1/k , по (2):
u = u o /e = u o /2,72 ;
таким образом, слой, толщина которого равна 1/k , ослабляет плотность потока энергии в 2,72 раза.
 Для различных веществ численное значение коэффициента поглощения k колеблется в весьма широких пределах. В видимой области для воздуха при атмосферном давлении k приблизительно равно 10 −5 см −1 для стекла k = 10 −2 см −1 , а для металлов k есть величина порядка десятка тысяч. Для всех веществ коэффициент поглощения k в той или иной мере зависит от длины волны.
 Тонированное окно может поглощать, например видимый свет, от 0 до 100 % . К примеру, тонировка окон в квартире зачастую становится очень простым и удобным выходом из положения, если окна выходят на солнечную сторону − таким образом вредные в больших количествах ультрафиолетовые лучи не проникают в квартиру. Вследствие этого жарким летом в помещении сохраняется приятная прохлада, а предметы интерьера не теряют своих красок из-за яркого солнца.
 На рис. представлена зависимость lgk от длины волны λ для газообразного хлора при 0 °С и атмосферном давлении. Как видно, в фиолетовой области коэффициент велик, затем он круто спадает в желто-зеленой области и снова возрастает в красной.

 Опыт показывает, что при поглощении света веществами, растворенными в прозрачном растворителе, поглощение пропорционально числу поглощающих молекул на единицу длины пути светового луча в растворе. Так как число молекул, приходящихся на единицу длины, пропорционально концентрации раствора С , то коэффициент поглощения k пропорционален С , откуда можно положить k = хС , где х − новый постоянный коэффициент, не зависящий от концентрации раствора, а определяемый лишь свойствами молекул поглощающего вещества. Подставляя это значение k в формулу поглощения (2), получим
u = u o e −xCl . (3)
 Утверждение, что коэффициент х не зависит от концентрации раствора, носит название закона Беера . Этот закон выполняется при условии, что наличие соседних молекул не меняет свойств каждой данной молекулы. При значительных концентрациях раствора взаимное влияние молекул сказывается, и тогда закон Беера перестает выполняться. В тех случаях, когда он имеет место, соотношение (3) позволяет определять концентрацию раствора по степени поглощения света в растворе.
 Кроме рассмотренного „истинного" поглощения, при котором энергия световых волн переходит в энергию других видов, возможно убывание плотности потока энергии в пучке лучей за счет рассеяния энергии в стороны.

1.1. Ознакомиться с механизмом поглощения света, изучить основные закономерности поглощения света веществом.

1.1. Построить спектральную кривую поглощения родамина.

2. Ослабление света

Опыт показывает, что при прохождении света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Этот факт является результатом взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, при котором происходит поглощение и рассеяние света, а также отражения света на границах раздела различных сред.

Ослабление = Рассеяние + Поглощение + Отражение

Существование отраженного света на границах раздела различных сред очевидно из установленных опытным путем законов отражения и преломления света. При распространении света сквозь границу двух сред с различными значениями показателя преломления свет частично отражается и частично преломляется. Эти законы теоретически можно вывести в рамках электромагнитной теории света.

2.1. Рассеяние света

Рассеянием света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе из-за изменения направления распространения света. Рассеяние электромагнитных волн любой системой связано с ее неоднородностью либо на молекулярном уровне, либо на уровне скоплений, состоящих из многих молекул. Независимо от типа неоднородности физические принципы рассеяния остаются одинаковыми для всех систем. Вещество состоит из дискретных электрических зарядов. Если на какое-либо препятствие (Рис.1.), которое может быть отдельным электроном, атомом или молекулой, частицей твердого вещества или жидкости, падает электромагнитная волна, то под воздействием электрического поля падающей волны электрические заряды в этом препятствии приходят в колебательное движение. Так как колебательное движение является движением с ускорением, ускоренные электрические заряды излучают электромагнитную энергию во всех направлениях. Именно это вторичное излучение имеющее тот же спектральный состав называют излучением рассеянным препятствием.

Рассеяние = возбуждение + переизлучение.

Рассмотрим оптически однородную среду, т.е. среду в которой оптические свойства в любых точках одинаковы. Покажем, что в такой среде рассеяние света будет отсутствовать и свет распространяется в первоначальном направлении. В однородной среде в одинаковых малых объемах световая волна индуцирует одинаковые когерентные вторичные волны. Пусть через эту среду распространяется плоская монохроматическая волна, как показано на рисунке 2. На волновом фронте АА’ выделим объемV 1 с линейными размерами малыми по сравнению с длиной волныпадающего света, но содержащий достаточно много молекул, чтобы среду можно было рассматривать как сплошную. В направлении, характеризуемом углом, объемV 1 излучает вторичную волну. На волновом фронте АА’ всегда можно выбрать другой объемV 2 , который в том же направлении излучает вторичную волну той же амплитуды, приходящую в точку наблюдения в противофазе с волной отV 1 . Такие волны полностью гасят друг друга в результате интерференции. Из рис.2. видно, что расстояние между выделенными объемами должно быть равноl =(/2)Sin. Взаимное гашение будет иметь место для вторичных волн излучаемых любой парой одинаковых объемов, расположенных на волновом фронте на расстоянииl . Полное гашение вторичных волн происходит для любого угла, кроме=0, так как в этом направлении распространения падающей волны все вторичные волны складываются синфазно и образуют проходящую волну. Этим объясняется, что в однородной среде свет распространяется только в первоначальном направлении, и рассеяние света будет отсутствовать.

При наличии оптической неоднородности среды ослабление световой волны в значительной степени будет определяться рассеянием излучения. Особенно существенным оказывается рассеяние в среде с резкими неоднородностями показателя преломления. Среды, обладающие такими свойствами, принято называть мутными.

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества.

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

П

Рис. 24.1

(24.1)

где I - интенсивность прошедшего света,
-коэф-фициентпропускания.

Выведем закон поглощения света веществом. Выделим тонкий слой вещества dx , перпендикулярный пучку монохроматического света интенсивностью i (I 0  i  I ), и будем исходить из предположения, что ослабление света (доля поглощенных квантов) -di /i таким слоем не зависит от интенсивности (если интенсивность не слишком велика), а определяется только толщиной слоя dx и коэффициентом пропорциональности k  :

Di /i = k  dx . (24.2)

Коэффициент k  различен для разных длин волн и его величина зависит от природы вещества. Интегрируя (24.2) и подставив пределы интегрирования для х от 0 до l и для i от I 0 до I , получаем

откуда, потенцируя, имеем

(24.3)

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Коэффициент k  называют натуральным показателем поглощения, его величина обратна расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами (атомами), то закон поглощения можно связать с некоторыми характеристиками молекул. Пусть n - концентрация молекул (число молекул в единице объема), поглощающих кванты света. Обозначим буквой s эффективное сечение поглощения молекулы - некоторую площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой. Другими словами молекулу можно представить как мишень определенной площади.

Если считать, что площадь сечения прямоугольного параллелепипеда (рис. 24.1) равна S , то объем выделенного слоя S dx , а количество молекул в нем nS dx ; суммарное эффективное сечение всех молекул в этом слое будет snS dx . Доля площади поперечного сечения поглощения всех молекул в общей площади сечения

(24.4)

Можно считать, что такая же, как и (24.4), часть попавших на слой квантов поглощается молекулами, ибо отношение площадей определяет вероятность взаимодействия одного кванта с молекулами выделенного слоя. Доля поглощенных слоем квантов равна относительному уменьшению интенсивности (di / i ) света. На основании изложенного можно записать

(24.5)

откуда после интегрирования и потенцирования имеем

I = I 0 e - snl . (24.6)

В это уравнение, аналогичное (24.3), входит параметр s , который отражает способность молекул поглощать монохроматический свет используемой длины волны.

Более приняты молярные концентрации С = n / N A , откуда n = CN A . Преобразуем произведение sn = sCN A =   C , где   = sN A - натуральный молярный показатель поглощения. Его физический смысл - суммарное эффективное сечение поглощения всех молекул одного моля вещества. Если молекулы, поглощающие кванты, находятся в растворителе, который не поглощает свет, то можно (24.6) записать в виде

(24.7)

Эта формула выражает закон Бугера-Ламберта-Вера . В лабораторной практике этот закон обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

(24.8)

Закон Бугера-Ламберта-Бера используют для фотометрического определения концентрации окрашенных веществ. Для этого непосредственно измеряют потоки падающего и прошедшего через раствор монохроматического света (концентраци онная колориметрия ), однако определенный таким образом коэффициент пропускания Т (или поглощения 1 - Т , см. (24.1)) неудобен, так как он из-за вероятностного характера процесса связан с концентрацией нелинейно [см. (24.8) и рис. 24.2, а ]. Поэтому в количественном анализе обычно определяют оптическую плотность (D ) раствора, представляющую десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания,

(24.9)

Рис. 24.2

Оптическая плотность удобна тем, что она линейно связана с концентрацией определяемого вещества (рис. 24.2, б ).

Закон Бугера-Ламберта-Бера выполняется не всегда. Он справедлив при следующих предположениях: 1) используется монохроматический свет; 2) молекулы растворенного вещества в растворе распределены равномерно; 3) при изменении концентрации характер взаимодействия между растворенными молекулами не меняется (иначе фотофизические свойства вещества, в том числе и значения s и , будут изменяться); 4) в процессе измерения не происходят химические превращения молекул под действием света; 5) интенсивность падающего света должна быть достаточно низка (чтобы концентрация невозбужденных молекул практически не уменьшалась в ходе измерения). Зависимости s, ,  или D от длины волны света называют спектрами поглощения вещества.

Спектры поглощения являются источниками информации о состоянии вещества и о структуре энергетических уровней атомов и молекул. Спектры поглощения используют для качественного анализа растворов окрашенных веществ.

Поглощением или абсорбцией называется явление потери энергии световой волны, проходящей через вещество, вследствие преобразования световой энергии волны в разные формы внутренней энергии вещества или в энергии вторичного излучения другого направлений и спектрального состава. При прохождении света через вещество происходит поглощение энергии, вследствие чего интенсивность света уменьшается. Изменение интенсивности света выражается экспериментальным законом, которая называется законом Бугера.

Где I 0 - интенсивность света падающего на вещество

I - интенсивность с вышедшего из вещества

х - толщина вещества

α- коэффициент поглощения, зависящей от длины волны падающего света, химического состава вещества и его агрегатного состояния.

Коэффициент поглощения . Если α численно равен обратной величине от толщины вещества, то есть , то интенсивность вышедшего света уменьшается в е раз. Рассмотрим, как зависит коэффициент поглощения от длины волны и структуры вещества.

Одноатомные газы

В природе (в космосе) очень часто встречается вещество, которую можно представить как разряженный одноатомный газ. Атомы химических элементов также можно представить как одноатомный газ. Из-за того, что атомы находится на больших расстояниях друг от друга, свет через такие вещества проходит, практически не поглощаясь. Поглощение света наблюдается лишь в том случае, когда частота падающего света совпадает с собственной частотой внешнего оптического электрона. ν =ν 0 !

В этом случае, электрон поглощает энергию падающего света всю порцию hν. Наблюдается поглощение в очень узкой области и образуется линейчатый спектр поглощения.

α=10 -11 -10 -12 м -1

Молекулярные газы

Если вещество находится в молекулярном состоянии, то есть в состав молекулы входят несколько атомов, то поглощение света будет наблюдаться, когда частота падающего излучения соответствует частоте колебании атомов в молекулах и электронов в атомах.

Если вещество находится в молекулярном состоянии, то наблюдается поглощение в некотором интервале ∆ν, в результате чего спектр получается полосатым.

α=10 -8 -10 -10 м -1

Диэлектрики

Для прозрачных диэлектриков поглощение невелико α=10 -5 -10 -7 м -1 , но для них наблюдается селективное поглощение (выборочное). Такое поглощение связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение вызвано явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и молекулах, имеющих достаточно прочную связь друг с другом. Диэлектрики дают сплошной спектр поглощения.

Поглощение в металлах

Металлы полностью поглощают свет и α=10 3 -10 4 м -1 , то есть металлы непрозрачны для света. Такое сильное поглощение связано с тем, что в металлах есть свободные электроны, и при попадании света в металлах возникают быстропеременные электрические токи . Эти токи быстро затухают, превращаясь в джоулевую теплоту. Чем больше проводимость металла, тем сильнее он поглощает световую волну. Там, где происходит поглощение, наблюдается аномальная дисперсия. На графике представлена зависимость показателя преломления от длины волны и коэффициент поглощения α от длины волны. Зависимость α от λ представлена для линейчатого спектра. В реальности линейчатый спектр не бесконечно тонкая линия, а некоторая кривая имеющая острый максимум. На графике видно, что поглощение происходит между точкой АВ, где наблюдается аномальная дисперсия.

Зависимостью α от λ объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, если стекло слабо поглощает красные лучи, но сильно поглощает синие цвета, то при падении белого света на такое стекло, оно будет выглядеть красным. Мы видим за счет отраженного света. Если же такое стекло осветить зеленым или синим светом, то оно нам будет казаться черным, так как сильно поглощает.

Такие явления используются в светофильтрах. В них в зависимости от химического состава вещества пропускается свет, только определение длины волны, а все остальные длины волн поглощаются. Разнообразие пределов селективного поглощения и разных веществ объясняет многообразие цветов в природе. Насчитывается до миллионов разных цветов и оттенков. В физике широко используется метод абсорбционного спектрального анализа . При помощи этого метода изучается химическое строение разных видов. Для анализа анализируются определенные частоты, в которых наблюдается поглощение и интенсивность поглощения. Структура спектров поглощения полностью определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является основным методом количественного и качественного анализа разных веществ.

1. Излучение Вавилова- Черенкова

Советские ученые Вавилов и Черенков обнаружили необычное сечение, которое вызывается в веществе при движении в нем быстро движущихся заряженных частиц. Особенность излучения заключается в следующем. Обычно заряженная частица испускают излучение, если они движутся с ускорением, если же частица движется равномерно и прямолинейно, то она не должна испускать электромагнитные излучения. Советские ученые Черенков, Тамм, Франк смогли объяснить данное излучение (Нобелевская премия 1958г.), как нелюминесцентное свечение, вызванное движением электрона со скорость большей фазовой скорости света в среде.

Если , то электрон испускает электромагнитные излучения. На эффекте Вавилова- Черенкова основана работа черенковских счетчиков, при помощи которых регистрируют быстро движущиеся заряженные частицы. Использование такого счетчика позволило Сегре (итальянский ученый) открыть антипротон (Нобелевская премия 1959г.). Особенностью данного излучения является также тот факт, что оно наблюдается не во всем пространстве, а только под острым углом θ к направлению движения электрона. Если рассмотрим это явление в пространстве, то излучение будет наблюдаться в пределах некоторого телесного угла dΩ или в пространственном конусе с образующей направление под углом θ к скорости электрона.

Но так как в точке Р наблюдается свечение, то это значит, что волны приходят туда одновременно, то есть ∆t / =0. Тогда

А так как cosθ не может быть больше единицы, V е больше скорости света в среде, то есть больше . Таким образом, действительно эффект Вавилова-Черенкова вызван движением заряженной частицы движущейся с постоянной скоростью больше .