Меню

Закон поглощения света при прохождении



Закон поглощения света при прохождении

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеем

.

Здесь E(x) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x; – амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний; коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

,

где – интенсивность волны на входе в среду.

При , . Следовательно, коэффициент поглощенияфизическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а).

а б

Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно м).

Читайте также:  Установка дополнительного дальнего света гост

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Читайте также:  Как поменять лампы ближнего света ховер н5

Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.

С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Источник

Курс лекций по физике Оптика

,

где I0 – интенсивность света, входящего в вещество, Il – интенсивность света, прошедшего через вещество, c l – монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды, l – толщина слоя вещества. Знак (–) показывает, что интенсивность света уменьшается.

Этот закон показывает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии. Показатель поглощения зависит от длины волны и концентрации разбавленного раствора (Закон Бера).

,

где c l – натуральный показатель поглощения, отнесенный к концентрации вещества, отношение называется коэффициентом пропускания.

Оптическая плотность вещества определяется выражением

С учетом приведенных выше формул можно записать:

D.

Закон Бугера-Ламберта-Бера лежит в основе концентрационной колориметрии — метода определения концентрации вещества в окрашенных растворах по изменению интенсивности прошедшего через раствор света.

При измерении концентрации вещества в растворах на пути одного из пучков света ставится стеклянная кювета с исследуемым раствором. Для того чтобы учесть поглощение света растворителем, на пути второго пучка ставится такая же кювета с чистым растворителем. Количество жидкостей в обеих кюветах должно быть одинаковым.

Читайте также:  Какими способами можно получить линейно поляризованный свет

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

При определении концентрации раствора кровяной сыворотки проводится градуировка фотоэлектроколориметра. Длина кюветы с раствором 5 см. Определить натуральный монохроматический показатель поглощения раствора, если он поглощает 40% входящего в него светового потока. Рассеянием света и его поглощением стенками кюветы пренебречь.

В соответствии с законом Бугера

, (1)

где .

С учетом этого (1) можно записать:

,

,

.

Логарифмируя обе части последнего выражения, получим:

,

.

Через пластинку из прозрачного вещества толщиной l = 4,2 см проходит половина падающего на нее светового потока. Определить натуральный показатель поглощения данного вещества. Рассеянием света в пластинке пренебречь; считать, что 10% падающей световой энергии отражается от поверхности

В соответствии с законом Бугера

,

где — падающий световой поток, — прошедший световой поток, множитель 0,9 показывает, что 10% падающего светового потока рассеивается. Тогда можно записать:

,

,

.

Логарифмируя обе части последнего выражения, получим:

,

.

Какова концентрация раствора, если одинаковая освещенность фотометрических полей была получена при толщине l1 = 8 мм у эталонного 3% — ного раствора и l2 = 24 мм – у исследуемого раствора?

Поскольку освещенность фотометрических полей для обоих растворов одинакова, можно записать:

. (1)

, (2)

, (3)

равенство (1) можно переписать:

. (4)

Из (4) следует, что

. (5)

Из (5) найдем концентрацию второго раствора:

.

Коэффициент пропускания раствора . Чему равна его оптическая плотность D?

Оптическая плотность и коэффициент пропускания связаны соотношением

.

При прохождении света через слой раствора поглощается 1/3 первоначальной световой энергии. Определить коэффициент пропускания и оптическую плотность раствора.

Поскольку коэффициент пропускания равен отношению интенсивности света, прошедшего сквозь данный раствор, к интенсивности света, падающего на него, то можно записать:

.

В соответствии с формулой связи оптической плотности и коэффициента пропускания можно записать:

.

Источник

Adblock
detector