El fenómeno de la absorción de luz. ¿Qué significa "absorción de luz"?

Absorción de luz.
  La luz que atraviesa cualquier sustancia es absorbida en un grado u otro. Normalmente, la absorción es selectiva, lo que significa que la luz de diferentes longitudes de onda se absorbe de forma diferente. Dado que la longitud de onda determina el color de la luz, los rayos varios colores, en general, se absorben en una determinada sustancia de diferentes maneras.
  Los cuerpos transparentes e incoloros son cuerpos que proporcionan una baja absorción de luz de todas las longitudes de onda pertenecientes al rango de los rayos visibles. Así, el vidrio absorbe en una capa de espesor de 1cm solo sobre 1 % rayos visibles que lo atraviesan. El mismo vidrio absorbe fuertemente los rayos ultravioleta e infrarrojos lejanos.
  De colores cuerpos transparentes Son cuerpos que exhiben selectividad de absorción dentro de los rayos visibles.

• Por ejemplo, "rojo" es un vidrio que absorbe débilmente los rayos rojos y naranjas y absorbe fuertemente los rayos verdes, azules y violetas.
• Si sobre ese vidrio incide luz blanca, que es una mezcla de ondas de diferentes longitudes, entonces sólo habrá más ondas largas, provocando una sensación de color rojo, más ondas cortas será absorbido.
• Cuando el mismo vaso se ilumina con luz verde o azul, aparecerá “negro” porque el vidrio absorbe estos rayos.

Desde el punto de vista de la teoría de los electrones unidos elásticamente, la absorción de luz se debe al hecho de que una onda de luz que pasa excita oscilaciones forzadas de los electrones. Para mantener las oscilaciones de los electrones. la energía está llegando, que luego se convierte en energía de otros tipos.
  Si, como resultado de las colisiones entre átomos, la energía de las vibraciones de los electrones se convierte en energía del movimiento molecular aleatorio, entonces el cuerpo se calienta.
  La absorción de luz puede ser bosquejo general describir desde un punto de vista energético, sin entrar en detalles del mecanismo de interacción de las ondas de luz con átomos y moléculas de la sustancia absorbente.
  Dejemos que un rayo se propague a través de una sustancia homogénea. rayos paralelos(arroz.).

Resaltemos en esta sustancia infinitamente. capa delgada grueso dl, delimitado por superficies paralelas perpendiculares a la dirección de propagación de la luz.
  La densidad del flujo de energía cambiará cuando los rayos pasen a través de esta capa en la cantidad −du. Es natural poner esta disminución −du proporcional al valor de la densidad del flujo de energía en una capa absorbente dada y su espesor dl:
−du = kudl. (1)
  Coeficiente k determinado por las propiedades de la sustancia absorbente, se llama coeficiente de absorción. Constancia del coeficiente k indica que en cada capa se absorbe la misma fracción del flujo que llega a la capa.
  Obtener la ley de densidad de flujo de energía decreciente en una capa de espesor finito yo Reescribamos la expresión (1) en la forma:
du/u = -kdl
y luego integrarlo en el rango de 0 antes yo:
0 l ∫(du/u) = −k 0 l ∫dl.
Dejar al principio de la capa ( l = 0) la densidad de flujo es igual a u0. Denotemos por tu el valor que adquiere cuando el flujo atraviesa el espesor de la sustancia yo. Luego, como resultado de la integración, obtenemos:
lnu − lnu o = −kl o ln(u/u o) = −kl,
dónde
tu = tu o mi −kl, (2)
Dónde mi− base de logaritmos naturales.
  Cómo coeficiente más alto adquisiciones k, más luz se absorbe. En l = 1/k, según (2):
u = u o /e = u o /2.72;
Así, una capa cuyo espesor es 1/k, debilita la densidad del flujo de energía en 2,72 veces.
  Para varias sustancias valor numérico coeficiente de absorción k fluctúa dentro de límites muy amplios. En la región visible para el aire en presión atmosférica k aproximadamente igual 10 −5 cm −1 para vidrio k = 10-2cm-1, y para metales k hay un valor del orden de decenas de miles. Para todas las sustancias el coeficiente de absorción. k depende en cierta medida de la longitud de onda.
  Una ventana tintada puede absorber, p. luz visible, de 0 antes 100 % . Por ejemplo, teñir las ventanas de un apartamento a menudo se convierte en una forma muy sencilla y cómoda de salir de la situación si las ventanas dan al lado soleado, lo que es perjudicial para la salud. grandes cantidades rayos ultravioleta no entre al apartamento. Como resultado, durante los veranos calurosos la habitación permanece agradablemente fresca y los elementos del interior no pierden sus colores debido al sol brillante.
  En la Fig. se presenta dependencia LGK desde la longitud de onda λ Para gas de cloro en 0 ºC y presión atmosférica. Como se puede ver, en la región violeta el coeficiente es grande, luego cae bruscamente en la región amarillo-verde y aumenta nuevamente en la región roja.

  La experiencia demuestra que cuando la luz es absorbida por sustancias disueltas en un disolvente transparente, la absorción es proporcional al número de moléculas absorbentes por unidad de longitud del camino. Haz de luz en solución. Dado que el número de moléculas por unidad de longitud es proporcional a la concentración de la solución. CON, entonces el coeficiente de absorción k proporcional CON, donde puedes poner k = xC, Dónde X− nuevo coeficiente constante, independiente de la concentración de la solución, pero determinado únicamente por las propiedades de las moléculas de la sustancia absorbente. Sustituyendo este valor k en la fórmula de absorción (2), obtenemos
tu = tu o mi −xCl. (3)
  La afirmación de que el coeficiente X no depende de la concentración de la solución, se llama ley cerveza. Esta ley se cumple siempre que la presencia de moléculas vecinas no cambie las propiedades de cada molécula dada. En concentraciones significativas de solución. Influencia mutua Las moléculas se ven afectadas y entonces la ley de Beer deja de ser cierta. En los casos en que esto ocurre, la relación (3) permite determinar la concentración de la solución por el grado de absorción de luz en la solución.
  Además de la absorción considerada "verdadera", en la que la energía de las ondas luminosas se convierte en energía de otros tipos, es posible una disminución de la densidad del flujo de energía en un haz de rayos debido a la disipación de energía hacia los lados.

1.1. Familiarícese con el mecanismo de absorción de la luz, estudie los patrones básicos de absorción de la luz por la materia.

1.1. Construya una curva de absorción espectral de rodamina.

2. Luz tenue

La experiencia demuestra que a medida que la luz atraviesa una capa de materia, su intensidad disminuye. Este hecho es el resultado de la interacción de la radiación electromagnética con la materia, en la que se produce la absorción y dispersión de la luz, así como la reflexión de la luz en las interfaces de diferentes medios.

Atenuación = Dispersión + Absorción + Reflexión

La existencia de luz reflejada en las interfaces entre diferentes medios se desprende de las leyes de reflexión y refracción de la luz establecidas experimentalmente. Cuando la luz se propaga a través de la frontera de dos medios con diferentes valores de índice de refracción, la luz se refleja parcialmente y se refracta parcialmente. Teóricamente, estas leyes pueden deducirse en el marco de la teoría electromagnética de la luz.

2.1. Dispersión de la luz

La dispersión de la luz es el fenómeno de una disminución de la energía de una onda luminosa a medida que se propaga a través de la materia debido a un cambio en la dirección de propagación de la luz. La dispersión de ondas electromagnéticas por cualquier sistema está asociada con su heterogeneidad o nivel molecular, o a nivel de grupos que constan de muchas moléculas. Independientemente del tipo de falta de homogeneidad, los principios físicos de la dispersión siguen siendo los mismos para todos los sistemas. La materia está formada por cargas eléctricas discretas. Si hay algún obstáculo (Fig. 1), que puede ser un electrón, átomo o molécula individual, partícula. sólido o líquido, cae onda electromagnética, luego bajo la influencia del campo eléctrico de la onda incidente. cargas eléctricas en este obstáculo entran en movimiento oscilatorio. Dado que el movimiento oscilatorio es un movimiento acelerado, las cargas eléctricas aceleradas emiten energía electromagnética en todas direcciones. Es esta radiación secundaria la que tiene la misma composición espectral la que se llama radiación de un obstáculo disperso.

Dispersión = excitación + reemisión.

R Consideremos un medio ópticamente homogéneo, es decir un entorno en el que las propiedades ópticas son las mismas en cualquier punto. Demostremos que en tal medio no habrá dispersión de la luz y la luz se propaga en la dirección original. EN ambiente homogéneo En pequeños volúmenes idénticos, una onda de luz induce ondas secundarias idénticas y coherentes. Dejemos que una onda plana monocromática se propague a través de este medio, como se muestra en la Figura 2. En el frente de onda AA', seleccionamos un volumen V 1 con dimensiones lineales pequeñas en comparación con la longitud de onda de la luz incidente, pero que contiene muchas moléculas para que el medio puede considerarse continuo. En la dirección caracterizada por el ángulo, el volumen V 1 emite una onda secundaria. Sobre el frente de onda AA' siempre se puede elegir otro volumen V 2, que en la misma dirección emite una onda secundaria de la misma amplitud, llegando al punto de observación en antifase con la onda de V 1. Estas ondas se anulan completamente entre sí como resultado de la interferencia. De la Fig.2. Se puede ver que la distancia entre los volúmenes seleccionados debe ser igual a yo=(/2)Sin. La cancelación mutua se producirá para las ondas secundarias emitidas por cualquier par de volúmenes idénticos ubicados en el frente de onda a una distancia yo. La supresión completa de las ondas secundarias ocurre para cualquier ángulo , excepto  = 0, ya que en esta dirección de propagación de la onda incidente todas las ondas secundarias se suman en fase y forman una onda transmitida. Esto explica que en un medio homogéneo la luz se propaga sólo en la dirección original y no habrá dispersión de la luz.

En presencia de falta de homogeneidad óptica del medio, la atenuación de la onda luminosa estará determinada en gran medida por la dispersión de la radiación. La dispersión es especialmente significativa en un medio con marcadas faltas de homogeneidad en el índice de refracción. Los medios con tales propiedades suelen denominarse turbios.

La intensidad de la luz que se propaga en un medio puede disminuir debido a la absorción y dispersión por parte de las moléculas (átomos) de la sustancia.

Absorción de luz Se llama debilitamiento de la intensidad de la luz al atravesar cualquier sustancia debido a la conversión de la energía luminosa en otros tipos de energía.

PAG

Arroz. 24.1

(24.1)

Dónde I- intensidad de la luz transmitida,
- coeficiente de transmitancia.

Derivemos la ley de absorción de luz por la materia. Seleccionemos una fina capa de sustancia d. X, perpendicular a un haz de luz monocromática con intensidad i (I 0  i  I), y partiremos del supuesto de que la atenuación de la luz (la fracción de cuantos absorbidos) -d i/i dicha capa no depende de la intensidad (si la intensidad no es demasiado alta), sino que está determinada únicamente por el espesor de la capa d X y factor de proporcionalidad k  :

D i/i = k d X. (24.2)

Coeficiente k es diferente para diferentes longitudes de onda y su magnitud depende de la naturaleza de la sustancia. Integrando (24.2) y sustituyendo los límites de integración por X de 0 a yo y para i de I 0 a I, obtenemos

de donde, potenciando, tenemos

(24.3)

Esta fórmula expresa Ley de absorción de luz de Bouguer. Coeficiente k se llama coeficiente de absorción natural, su valor es el recíproco de la distancia a lo largo de la cual se atenúa la intensidad de la luz como resultado de la absorción en el medio en mi una vez.

Dado que la absorción de luz se debe a la interacción con moléculas (átomos), la ley de absorción puede estar asociada con ciertas características de las moléculas. Dejar norte- concentración de moléculas (número de moléculas por unidad de volumen) que absorben cuantos de luz. Denotemos con la letra s la sección transversal de absorción efectiva de una molécula, un área determinada en la que, cuando un fotón impacta, es capturado por la molécula. En otras palabras, una molécula se puede representar como un objetivo de un área determinada.

Si suponemos que el área de la sección transversal de un paralelepípedo rectangular (figura 24.1) es igual a S, luego el volumen de la capa seleccionada. S d X, y el número de moléculas que contiene. nS d X; la sección transversal efectiva total de todas las moléculas en esta capa será sns d X. Proporción del área de la sección transversal de absorción de todas las moléculas en el área de la sección transversal total

(24.4)

Se puede suponer que las moléculas absorben la misma parte de los cuantos que caen sobre la capa como (24.4), ya que la relación de áreas determina la probabilidad de interacción de un cuanto con las moléculas de la capa seleccionada. La fracción de cuantos absorbidos por la capa es igual a la disminución relativa de la intensidad (d i/ i) Luz. Con base en lo anterior podemos escribir

(24.5)

de donde, después de la integración y potenciación, tenemos

I = I 0e - snl . (24.6)

Esta ecuación, similar a (24.3), incluye el parámetro s, que refleja la capacidad de las moléculas para absorber luz monocromática de la longitud de onda utilizada.

Más aceptado concentraciones molares C =norte/ norte a, de donde norte = CN A. Transformemos el producto sn = sCN A =   C, donde   = sN A es la tasa de absorción molar natural. Su significado físico es la sección transversal de absorción efectiva total de todas las moléculas de un mol de una sustancia. Si las moléculas que absorben cuantos están en un disolvente que no absorbe luz, entonces (24.6) se puede escribir en la forma

(24.7)

Esta fórmula expresa Ley de Bouguer-Lambert-Wehr . En la práctica de laboratorio, esta ley suele expresarse mediante una función exponencial de base 10:

(24.8)

Para determinar fotométricamente la concentración de sustancias coloreadas se utiliza la ley de Bouguer-Lambert-Beer. Para ello, mida directamente los flujos de luz monocromática incidente y transmitida a través de la solución ( concentracióncolorimetria onica), sin embargo, la transmitancia determinada de esta manera t(o absorción 1 - t, ver (24.1)) es inconveniente, ya que, debido a la naturaleza probabilística del proceso, se relaciona con la concentración de forma no lineal [ver. (24.8) y la figura. 24.2, A]. Por lo tanto en análisis cuantitativo normalmente define densidad óptica (D) solución, que representa el logaritmo decimal del recíproco de la transmitancia,

(24.9)

Arroz. 24.2

La densidad óptica es conveniente porque está relacionada linealmente con la concentración del analito (figura 24.2). b).

La ley Bouguer-Lambert-Beer no siempre se cumple. Es válido bajo los siguientes supuestos: 1) se utiliza luz monocromática; 2) las moléculas del soluto en la solución se distribuyen uniformemente; 3) cuando cambia la concentración, la naturaleza de la interacción entre moléculas disueltas no cambia (de lo contrario, cambiarán las propiedades fotofísicas de la sustancia, incluidos los valores de sy ); 4) durante el proceso de medición, no se producen transformaciones químicas de moléculas bajo la influencia de la luz; 5) la intensidad de la luz incidente debe ser lo suficientemente baja (para que la concentración de moléculas no excitadas prácticamente no disminuya durante la medición). Dependencias s, ,  o D dependiendo de la longitud de onda de la luz se llama espectro de absorción de una sustancia.

Los espectros de absorción son fuentes de información sobre el estado de la materia y la estructura de los niveles de energía de los átomos y moléculas. Los espectros de absorción se utilizan para analisis cualitativo Soluciones de sustancias coloreadas.

La absorción o absorción es el fenómeno de pérdida de energía de una onda de luz que pasa a través de una sustancia debido a la conversión de la energía de la onda de luz en Diferentes formas energía interna materia o en la energía de la radiación secundaria procedente de otras direcciones y composición espectral. Cuando la luz pasa a través de una sustancia, se absorbe energía, lo que hace que la intensidad de la luz disminuya. El cambio en la intensidad de la luz se expresa. ley experimental, que se llama ley de Bouguer.

Donde I 0 es la intensidad de la luz que incide sobre la sustancia.

I - intensidad c liberada de la sustancia

x - espesor de la sustancia

α es el coeficiente de absorción, dependiendo de la longitud de onda de la luz incidente, composición química sustancia y su estado de agregación.

Coeficiente de absorción. Si α es numéricamente igual recíproco en el espesor de la sustancia, es decir, la intensidad de la luz liberada disminuye en mi una vez. Consideremos cómo depende el coeficiente de absorción de la longitud de onda y la estructura de la sustancia.

Gases monoatómicos

En la naturaleza (en el espacio) se encuentra muy a menudo una sustancia que puede representarse como un gas monoatómico enrarecido. átomos elementos químicos También se puede representar como un gas monoatómico. Debido al hecho de que los átomos están ubicados en largas distancias unos de otros, la luz atraviesa dichas sustancias prácticamente sin ser absorbida. La absorción de luz se observa sólo cuando la frecuencia de la luz incidente coincide con la frecuencia natural del electrón óptico externo. ν = ν 0 !

En este caso, el electrón absorbe la energía de la luz incidente en toda la porción hν. La absorción se observa en una región muy estrecha y una espectro de líneas absorción.

α=10 -11 -10 -12 m -1

Gases moleculares

Si la sustancia está en estado molecular, es decir, una molécula contiene varios átomos, entonces se observará absorción de luz cuando la frecuencia de la radiación incidente corresponda a la frecuencia de vibración de los átomos en las moléculas y de los electrones en los átomos.

Si la sustancia se encuentra en un estado molecular, entonces se observa absorción en un cierto rango ∆ν, lo que da como resultado un espectro rayado.

α=10 -8 -10 -10 m -1

Dieléctricos

Para dieléctricos transparentes, la absorción es pequeña α = 10 -5 -10 -7 m -1, pero para ellos se observa absorción selectiva(selectivo). Esta absorción se debe a que no hay electrones libres en los dieléctricos y la absorción es provocada por el fenómeno de resonancia en vibraciones forzadas electrones en átomos y moléculas que tienen enlaces bastante fuertes entre sí. Los dieléctricos dan espectro de absorción continua.

Absorción en metales

Los metales absorben completamente la luz y α=10 3 -10 4 m -1, es decir, los metales son opacos a la luz. Esta fuerte absorción se debe al hecho de que los metales contienen electrones libres, y cuando la luz incide sobre los metales, surgen variable rápida Corrientes eléctricas . Estas corrientes decaen rápidamente y se convierten en calor Joule. Cuanto mayor es la conductividad de un metal, más absorbe onda de luz. Cuando se produce absorción, se observa dispersión anómala. El gráfico muestra la dependencia del índice de refracción de la longitud de onda y del coeficiente de absorción α de la longitud de onda. La dependencia de α de λ se presenta para el espectro de líneas. En realidad, el espectro de líneas no es una línea infinitamente delgada, sino una curva con un máximo pronunciado. En la gráfica se observa que la absorción se produce entre el punto AB, donde se observa una dispersión anómala.

La dependencia de α de λ explica el color de los cuerpos absorbentes. Por ejemplo, si el vidrio absorbe débilmente los rayos rojos, pero absorbe fuertemente colores azules, luego al caer luz blanca en tal vidrio, se verá rojo. Vemos por luz reflejada. Si dicho vidrio se ilumina con luz verde o azul, nos parecerá negro, ya que absorbe fuertemente.

Estos fenómenos se utilizan en filtros de luz. En ellos, dependiendo de la composición química de la sustancia, la luz se transmite, determinando solo la longitud de onda, y todas las demás longitudes de onda se absorben. La variedad de límites de absorción selectiva y de diferentes sustancias explica la variedad de colores en la naturaleza. Números hasta millones Colores diferentes y sombras. El método es ampliamente utilizado en física. análisis espectral de absorción. Usando este método, estudiamos Estructura química diferentes tipos. Para el análisis, se analizan frecuencias específicas a las que se observa la absorción y la intensidad de la absorción. La estructura de los espectros de absorción está completamente determinada por la composición y estructura de las moléculas, por lo que el estudio de los espectros de absorción es el principal método de análisis cuantitativo y cualitativo de diversas sustancias.

1. Radiación vavílov-cherenkov

Soviético científicos vavílov y Cherenkov descubrió una sección transversal inusual que se produce en una sustancia cuando en ella se mueven partículas cargadas que se mueven rápidamente. La peculiaridad de la radiación es la siguiente. Normalmente, una partícula cargada emite radiación si se mueve con aceleración, pero si la partícula se mueve uniformemente y en línea recta, entonces no debería emitir radiación electromagnética. Los científicos soviéticos Cherenkov, Tamm y Frank pudieron explicar esta radiación ( premio Nobel 1958), como un resplandor no luminiscente causado por el movimiento de un electrón a mayor velocidad. velocidad de fase luz en el ambiente.

Si , entonces el electrón emite radiación electromagnética. El efecto Vavilov-Cherenkov es la base del funcionamiento de los contadores Cherenkov, con cuya ayuda se registran las partículas cargadas que se mueven rápidamente. El uso de tal contador permitió a Segre (un científico italiano) descubrir el antiprotón (Premio Nobel 1959). Una característica especial de esta radiación es también el hecho de que no se observa en todo el espacio, sino sólo bajo ángulo agudoθ a la dirección del movimiento de los electrones. Si consideramos este fenómeno en el espacio, entonces la radiación se observará dentro de un cierto ángulo sólido dΩ o en un cono espacial con una dirección generatriz en un ángulo θ con la velocidad del electrón.

Pero como se observa un resplandor en el punto P, esto significa que las ondas llegan allí simultáneamente, es decir, ∆t / =0. Entonces

Y como cosθ no puede ser mayor que uno, V e es mayor que la velocidad de la luz en el medio, es decir, mayor que . Por tanto, el efecto Vavilov-Cherenkov en realidad es causado por el movimiento de una partícula cargada que se mueve con velocidad constante más .