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.

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_lλ=I_0λe^{-K l}, (11.10)

где I_0λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I_lλ - 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: а) − линейчатый спектр поглощения, б) − полосатый спектр поглощения, в) − сплошной спектр поглощения.

Рис.11.3.

В диэлектрических веществах нет свободных электронов, поэтому для них коэффициент поглощения мал (К = 10^-3 см^-1 – 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:

К_λ = c_λС, (11.11)

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

, (11.12)

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

Соотношение (11.12) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I_lλ , к во­шедшему I_0λ носит название коэффициента оптического (илисвето-) пропускания слоя Т:

Т = I_lλ /I_0λ = (11.13)

или в процентах

Т = I_lλ /I_0λ 100%. (11.14)

Поглощение слоя P равно отношению

Логарифм величины 1/Т называется оптической плотностью слояD:

D = lg 1/T = lg I_0λ /I_lλ = 0,43c_λСl, (11.15)

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

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.

Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Е_эл , колебательной Е_кол и вращательной Е_вр энергии (Е =Е_эл + Е_кол + Е_вр ) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем, поскольку ∆Е_эл>>∆E_кол>>∆Е_вр, 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, (10³ - 10⁵) 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?