Интенсивность света. Поглощением света

• Название: Поглощением света
• Дата: 16.05.2018
• Размер: 78 Kb.
• Имя файла: Интенсивность света.doc
• Тип: Документы; #43953

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.

 Поглощение кванта света происходит при его неупругом столкновении с молекулой (атомом), приводящем к передаче энергии фотона веществу, и является случайным событием. Вероятность поглощения кванта света образцом вещества толщиной l (рис. 24.1) оценивается величиной коэффициента поглощения 1 - Т, равного отношению интенсивностей поглощенного света I_п = I₀ - I к интенсивности падающего I₀

 (24.1)

где I — интенсивность прошедшего света,  —коэффициент пропускания.

Выведем закон поглощения света веществом. Выделим тонкий слой вещества dx, перпендикулярный пучку монохроматического света интенсивностью i (I₀ ³ i ³ 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_l:

-di/i = k_ldx. (24.2)

Коэффициент k_l различен для разных длин волн и его величина зависит от природы вещества. Интегрируя (24.2) и подставив пределы интегрирования для х от 0 до lи для i от I₀ до I, получаем



откуда, потенцируя, имеем

 (24.3)

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Коэффициент k_l 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 Sdx, а количество молекул в нем nSdx; суммарное эффективное сечение всех молекул в этом слое будет snSdx. 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= I₀e^-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_lC, где c_l = 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 (концентрационная 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 e, 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, c, e 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.

Бугера - ламберта - бера закон,
определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе. если мощность пучка, вошедшего в слой вещества толщиной l, равна io, то, согласно б. -л. -б. з. , мощность пучка при выходе из слоя
i (l) = ioe - ccl,

где c - удельный показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации с вещества, определяющего поглощение; c зависит от природы и состояния вещества и от длины волны проходящего излучения. б. -л. - б. з. открыт французским учёным п. бугером в 1729, подробно рассмотрен немецким учёным и. г. ламбертом в 1760 и в отношении концентрации с проверен на опыте немецким учёным а. бером (a. beer) в 1852.

утверждение, что c - постоянная величина, имеет приближённый характер. при больших изменениях концентрации в газах и растворах c обычно начинает изменяться вследствие физико-химического взаимодействий молекул. в начале 20 в. советский учёный с. и. вавилов экспериментально проверил независимость величины cc от мощности светового пучка в широких пределах её изменения - от очень больших значений, соответствующих собранным при помощи линзы прямым солнечным лучам, до ничтожных значений, еле различимых привыкшим к темноте глазом. оказалось, что во всех этих условиях cс остаётся практически постоянным. однако, как указал вавилов, квантовая природа света и конечная (хотя и очень малая) длительность возбуждённого состояния молекул должны привести к тому, что при огромных мощностях светового пучка значительная часть всех молекул окажется в возбуждённом состоянии и поглощение света уменьшится. предсказание вавилова подтвердилось на опыте для большого числа веществ при плотностях мощности излучения, создаваемых оптическими квантовыми генераторами

поглощение света - явление ослабления яркости света при его прохождении через вещество или при отражении от поверхности.

поглощение света происходит вследствие преобразования энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иное направление распространения.