Меню

При прохождении светом вещества его интенсивность уменьшилась



Теоретическое введение. Из опытов известно, что при прохождении света в веществе его интенсивность уменьшается

Из опытов известно, что при прохождении света в веществе его интенсивность уменьшается. Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при её распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения с другим спектральным составом и направлениями распространения. Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.

Ещё в 18 веке Бугер экспериментально, а Ламберт теоретически установили закон поглощения света. При прохождении света через тонкий слой поглощающей среды в направлении x уменьшение интенсивности света dI пропорционально самой интенсивности I и толщине пройденного слоя dx (рис.10.1):

. (10.1)

Знак «–» указывает на то, что интенсивность уменьшается. Коэффициент пропорциональности в (10.1) называется натуральным показателем поглощения (коэффициентом поглощения) среды. Он зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света. Преобразуем и проинтегрируем это выражение:

; ; .

Здесь I и I – интенсивности излучения на входе и на выходе из слоя среды толщиной d. После преобразований получим:

; ;

. (10.2)

Выражение (10.2) называется законом Бугера. Выясним физический смысл натурального показателя поглощения. Из (10.2) следует, что если толщина слоя , то . Таким образом, показатель поглощения равен обратной величине расстояния, при прохождении которого интенсивность света убывает в е≈2.72 раз.

Для разбавленного раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе выполняется закон Бера:

, (10.3)

где С – концентрация раствора, а c – коэффициент пропорциональности, не зависящий от концентрации. В концентрированных растворах закон Бера нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Из (10.2) и (10.3) получаем закон Бугера-Ламберта-Бера:

. (10.4)

Отношение называется коэффициентом пропускания и чаще выражается в процентах:

. (10.5)

Оптическая плотность определяется натуральным (или десятичным) логарифмом пропускания:

. (10.6)

Коэффициент поглощения зависит от длины волны света λ (или частоты ω). У вещества, находящегося в таком состоянии, что атомы или молекулы практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок нулю и лишь для очень узких спектральных областей обнаруживает резкие максимумы (на рис.10.2 показан спектр паров натрия). Эти максимумы, согласно элементарной электронной теории Лоренца (см. лабораторную работу 3.05), соответствуют резонансным частотам колебаний электронов в атомах. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Так как массы атомов гораздо больше массы электрона, молекулярные частоты намного меньше атомных – они попадают в инфракрасную область спектра.

Твёрдые тела, жидкости и газы при высоких давлениях дают широкие полосы поглощения (на рис.10.3 представлен спектр раствора фенола). По мере повышения давления газов максимумы поглощения, первоначально очень узкие, всё более расширяются, и при высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей. Этот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов (или молекул) друг с другом.

Металлы практически непрозрачны для света. Это обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение – в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла.

Читайте также:  Когда свидетели иеговы ждут конца света

В рамках элементарной электронной теории Лоренца удалось объяснить сам факт наличия полос поглощения, однако различие в интенсивностях полос в рамках классической теории объяснить не удаётся.

В квантовой механике, как и в полуклассической теории Бора, излучение и поглощение квантов света происходит лишь с частотами, удовлетворяющими правилу частот Бора: переход атома из состояния n с энергией En в состояние m с энергией Em сопровождающийся поглощением или излучением фотона с частотой

, (10.7)

описывается с помощью общего уравнения Шредингера. При этом волновая функция электрона в процессе перехода зависит не только от координат, но и от времени: ψ=ψ(x,y,z,t)=C1 . ψn+C2 . ψm. Здесь ψn и ψm – волновые функции оптического электрона в состояниях n и m, а коэффициенты C1 и C2 зависят от времени. Средняя мощность излучения пропорциональна величине

, (10.8)

где r – расстояние оптического электрона до ядра атома. То есть, интенсивность линии в спектре излучения, а также и в спектре поглощения, пропорциональна величине . Излучение или поглощение света возможно только в том случае, если интеграл в (10.8) отличен от нуля, иначе переход между состояниями n и m оказывается запрещённым. Соответствующие линии в спектрах излучения и поглощения отсутствуют. Так в квантовой механике возникают правила отбора. Например, в спектрах атомов возможны только такие переходы, когда орбитальное квантовое число изменяется на единицу: Δl=±1, а изменение магнитного квантового числа должно удовлетворять условию Δml=0; ±1. Квантовомеханическое рассмотрение дало возможность в согласии с опытом решить задачу не только об отыскании частот спектральных линий атомов, но и об их интенсивностях.

Спектр (набор линий поглощения или испускания атома) однозначно характеризует данный элемент и может использоваться для качественного спектрального анализа. Изучение молекулярных спектров позволяет получить информацию о структуре молекул, межатомных расстояниях, массах атомов, моментах инерции и дипольных моментах молекул. По смещению и уширению полос в конденсированной фазе можно судить о характере и силе межмолекулярных взаимодействий.

Источник

Вопрос 3. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта

Поглощением (абсорбцией) света называется уменьшение энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии в результате ее взаимодействия со средой. Интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

С точки зрения электронной теории, при прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение и поддержание колебаний электронов, входящих в состав атомов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения в виде вторичных волн, частично же переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества (нагревание вещества).

Поглощение света в веществе можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.

Читайте также:  Диагностический фонарик с желтым светом

Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света

I=Ie K l , (11.10)

где Iλ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I — интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l; К – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. К = f(λ), и индивидуальный для каждого вещества. Например, одноатомные газы и пары металлов (атомы которых можно считать изолированными, так как они находятся на значительных расстояниях друг от друга) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и только для очень узких интервалов длин волн Δλ = (10 -12 –

10 -11 ) м наблюдаются резкие максимумы поглощения – линейчатый спектр поглощения. Эти спектральные линии поглощения соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах.

Спектры поглощения многоатомных газов имеют вид линейчатых полос шириной Δλ = (10 -10 – 10 -7 ) м, определяемых колебаниями атомов внутри молекул. Молекулы обладают набором близко расположенных собственных частот колебаний, что и обуславливает линейчатые полосы их поглощения, рис. 11.3.

Здесь а) − линейчатый спектр поглощения, б) − полосатый спектр поглощения, в) − сплошной спектр поглощения.

В диэлектрических веществах нет свободных электронов, поэтому для них коэффициент поглощения мал (К = 10 -3 – 10 -5 см -1 ) и для них наблюдается сплошной спектр поглощения.

Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества встречает свет на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален концентрации С:

где cλ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (11.11), можно закон Бугера (11.10) переписать в виде:

, (11.12)

где cλ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в [моль/литр], то cλ называют молярным коэффициентом поглощения.

Соотношение (11.12) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I , к во­шедшему I носит название коэффициента оптического (илисвето-) пропускания слоя Т:

Т = I /Iλ = (11.13)

или в процентах

Поглощение слоя равно отношению

Логарифм величины 1/Т называется оптической плотностью слояD

т.е. оптическая плотность характеризует поглоще­ние света средой и линейно зависит от концентрации С (рис. 11.4).

Соотношение (11.15) может быть использовано как для определения концентрации растворов, так и для характеристики спек­тров поглощения веществ.

Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения.

Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой.

Читайте также:  Свет ближнего света люмен

Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Еэл , колебательной Екол и вращательной Евр энергии (Е =Еэл + Екол + Евр ) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ∆Еэл>>∆Eкол>>∆Евр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения примерно, (10 3 — 10 5 ) см -1 и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах вследствие наличия большого количества свободных электронов под действием электрического поля возникают быстропеременные токи. Энергия световой волны быстро уменьшается из-за выделения токами джоулевой теплоты, превращающейся во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем больше в нем свободных электронов и тем сильнее в нем поглощается свет.

Окрашенность поглощающих тел объясняется зависимостью коэффициента поглощения от длины световой волны.

Явление поглощения света используется при изготовлении светофильтров, которые в зависимости от химического состава стекол пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

Большое распространение получил атомно-абсорбционный метод спектрального анализа, основанный на явлении избирательного поглощения света атомными парами химических элементов. При пропускании света через пары элемента (пары получают, например, при распылении раствора анализируемого образца в пламени, при испарении с поверхности образца под действием лазерного излучения, в различного рода атомизаторах: атомный пар поглощает свет только той частоты, которая соответствует частоте собственных колебаний электронов. Чувствительность метода составляет 10 -8 % или 10 -12 г.

Следует отметить, что в волоконно-оптических линиях связи используютсясветоводы, наоборот, имеющие область исключительно высокой прозрачности в диапозоне длин волн (0,3 – 8) мкм. Суммарные потери мощности света за счет собственного затухания характеризуются коэффициентом затухания, выражаемым в децибелах на километр (дБ/км). Так, при введении в световод длиной 1 км и с коэффициентом затухания

1 дБ/км оптического сигнала мощностью 10 Вт на его выходе будет принят сигнал мощностью 7,9 Вт. Обычное оконное стекло имеет затухание в несколько тысяч децибел на километр. Для систем оптической связи необходимо, чтобы оптические потери по всей длине 50-километрового световода не превышали 1 дБ/км. Более протяженные линии связи требуют снижения уровня потерь до 0,01 дБ/км. Если бы такой прозрачностью обладали оконные стекла, то улицу можно было бы видеть через стекло толщиной 200 км.

Контрольные вопросы:

1. Что такое дисперсия света?

2. Как связаны между собой преломляющий угол призмы и угол отклонения лучей ею?

3. Что показывает дисперсия вещества?

4. Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной?

5. По каким признакам можно отличить спектры, полученные с помощью призмы и дифракционной решетки?

6. В чем заключаются основные положения и выводы электронной теории дисперсии света?

7. Почему металлы сильно поглощают свет?

Дата добавления: 2014-11-06 ; Просмотров: 1916 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник