Что такое коэффициент поглощения

Поглощение света. Коэффициент поглощения

Страницы работы

Содержание работы

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

.

,

где . Таким образом, коэффициент поглощения a связан с показателем поглощения и характеризует степень ослабления света по мере прохождения через поглощающую среду.

Общая закономерность поглощения определяется экспоненциальным законом в соответствии с формулой (9.1) (рис. 9.2).

Поскольку коэффициент поглощения зависит от длины волны (от частоты), то такая зависимость является индивидуальной характеристикой любого вещества и носит название спектра поглощения (a=a(l)). Для разреженных газов, паров металлов и ионов спектр поглощения представляет собой отдельные линии поглощения, характеризующие собственные частоты колебаний частиц вещества. Молекулы имеют более сложный спектр поглощения, состоящий как из совокупности отдельных линий и полос (простые молекулы), так и широких полос поглощения (сложные молекулярные структуры), перекрывающих большие спектральные интервалы излучения (рис. 9.3).

Опыт показывает, что для газов, паров и разбавленных растворов коэффициент поглощения пропорционален концентрации частиц С. Другими словами, коэффициент поглощения a есть

и закон Бугера приобретает вид

Утверждение, что А не зависит от концентрации, носит название закона Бера (1852). Его физический смысл заключается в том, что поглощающая способность молекулы не зависит от влияния окружающих молекул. Это условие выполняется лишь при небольших концентрациях частиц.

Физические процессы, приводящие к поглощению, можно свести к нескольким причинам:

1. Энергия падающей волны идет на излучение вторичных волн. Излучение вторичных волн является причиной рассеяния энергии падающей волны. Причем затухание будет тем больше, чем больше интенсивность излучения, т. е. чем больше амплитуда вынужденных колебаний, достигающая наибольшего значения при w®w_о. Максимальное поглощение соответствует той частоте w, которая совпадает с частотой собственных колебаний.

2. При соударении атомов колебательная энергия может переходить в энергию поступательного движения столкнувшихся атомов, т.е. в тепло. Этот процесс поглощает особенно много энергии в том случае, когда в системе возбуждены колебания с частотой w=w_о.

Источник

6.3. Поглощение света

Световая волна несет энергию электромагнитного поля. При прохождении света через вещество происходит потеря энергии из-за превращения ее в различные формы внутренней энергии вещества или энергию вторичного излучения, которое может отличаться от первичного спектральным составом и направлением распространения. Поглощение света может приводить к нагреванию вещества или возбуждению атомов и молекул, к фотохимическим процессам и т. д.

Если световая волна с интенсивностью в данной точке I(х) проходит через слой толщиной dх, то ее интенсивность уменьшается на величину, пропорциональную толщине слоя и интенсивности волны в данном месте:

где — коэффициент поглощения, зависящий от свойств поглощающего вещества.

Преобразуем полученное дифференциальное уравнение:

В результате интегрирования получаем

где I₀ — падающий световой поток, I — толщина поглощающего слоя вещества. Это соотношение называется законом Бугера — Ламберта — Бера. Он справедлив для монохроматического света.

Соотношение (6.33) можно записать в виде

Отсюда вытекает физический смысл k; коэффициент поглощения обратно пропорционален толщине слоя вещества, при прохождении которого интенсивность света уменьшается в е = 2.72 раза.

Источник

Что такое коэффициент поглощения

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 поглощения – физическая 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).

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.

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

Откуда получаем выражение для расчёта коэффициента поглощения

Лабораторная работа №8

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ВЕЩЕСТВОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

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

1.1. Построить спектральную кривую поглощения родамина.

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.

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.

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.

Поглощение света

В веществе не вся энергия колеблющихся электронов испускается обратно в виде электромагнитных волн той же частоты, а часть её переходит в другие формы энергии и, главным образом, в тепловую. Поглощением света называют явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе из-за преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иные направления распространения (фотолюминесценция). В результате поглощения света могут происходить: нагревание вещества, ионизация атомов или молекул, фотохимические реакции, фотолюминесценция и т.д. Поглощение света не следует смешивать с явлением уменьшения энергии проходящей световой волны в оптически неоднородной среде из-за рассеяния света.

В данной лабораторной работе исследуемые образцы вещества будем считать оптически однородными, поэтому рассеянием света можно пренебречь, считая, что ослабление света обусловлено поглощением и отражением на границах раздела сред.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера-Ламберта.

2.2.1. Закон Бугера-Ламберта. Коэффициент поглощения

Предположим, что световой поток монохроматических лучей с длиной волны λ проходит через поглощающий слой толщиной l (рис. 3.) Пусть при прохождении света с начальной интенсивностью через тонкий поглощающий слой dl интенсивность света уменьшилась на некоторую величину dI. Это уменьшение интенсивности пропорционально толщине слоя dl и величине (без учёта рассеяния):

Проинтегрировав выражение (1), получим формулу, показывающую ослабление света слоем толщиной l

(2)

откуда (3)

Уравнение (3) получило названиеЗАКОНА БУГЕРА-ЛАМБЕРТА.

Отношение выраженное в процентах, называетсяпропусканием (прозрачностью) вещества :

(4)

Десятичный логарифм величины обратной прозрачности называетсяоптической плотностью вещества:

(5)

Подставляя (5) в уравнение (2) и заменив натуральный логарифм на

откуда

Физический смысл коэффициента поглощения легко установить, преобразовав уравнение (2) к следующему виду:

(7)

2.2.2.Зависимость коэффициента поглощения от длины волны

Коэффициент поглощения является функцией длины волны. Зависимость К от λ имеет сложный вид. На рис. 4. приведена кривая поглощения хлористого цезия. Из графика видно, что существуют длины волн, на которых поглощение резко возрастает. Эти области резкого увеличения поглощения соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах или, в случае поглощения света многоатомными молекулами, частотам собственных колебаний атомов внутри молекулы. Как правило, спектры поглощения твёрдых тел и жидкостей дают широкие полосы поглощения. Спектры поглощения многоатомных газов представляют ряд более или менее сложных полос, а одноатомные газы характеризуются узкими линиями поглощения. Длины волн этих линий соответствуют частотам линейчатого спектра излучения этих атомов.

По мере повышения давления газов, спектры поглощения их становятся все более и более расплывчатыми и приближаются к спектрам поглощения жидкостей. Это означает, что расширение узких полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом.

3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ

Вывод рабочей формулы

Исследуемый раствор помещается в кювету длиной ι с прозрачными боковыми стенками. Как видно из Рис.5, ослабление светового потока происходит не только вследствие поглощения света раствором, но и за счёт потерь на отражение на стенках кюветы. Следовательно, если мы измерим величину оптической плотности

для кюветы некоторой длины ι₁, то полученное значение включает в себя потери на поглощение D₁‘ и на отражение D«, т. e.

D₁ = D₁‘ +D«.

Аналогично для кюветы другой длины ι₂ имеем:

D₂ = D₂‘ + D«

Рис.5. Прохождение света через кювету.

Отметим, что значение D« не зависит от длины кюветы и определяется только отражательной способностью стенок.

Вычтем второе уравнение (9) из первого:

Откуда получаем выражение для расчёта коэффициента поглощения

(10)

Источник