в чем измеряется поглощение

В чем измеряется поглощение

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

Поглощения показатель

Смотреть что такое «Поглощения показатель» в других словарях:

ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ — (кl), величина, обратная расстоянию, на к ром монохроматич. поток излучения длины волны l, образующий параллельный пучок, ослабляется за счёт поглощения в в ве в е раз (натуральный П. п.; (см. БУГЕРА ЛАМБЕРТА БЕРА ЗАКОН)) или 10 раз (десятичный П … Физическая энциклопедия

ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ — величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующего параллельный световой пучок, ослабляется в результате поглощения в среде в 10 раз или е раз. Измеряется в см 1 или в м 1 … Большой Энциклопедический словарь

поглощения показатель — величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующий параллельный световой пучок, ослабляется в результате поглощения в среде в 10 раз или е раз. Измеряется в см 1 или в м 1. * * * ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ,… … Энциклопедический словарь

ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ — величина, обратная расстоянию, на к ром поток излучения, образующий параллельный световой пучок, ослабляется в результате поглощения в среде в 10 раз или е раз. Измеряется в см 1 или в м 1 … Естествознание. Энциклопедический словарь

ПОГЛОЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ — см. Бугера Ламберта Бера закон … Большой энциклопедический политехнический словарь

Показатель поглощения — Размерность L−1 Единицы измерения СИ 1/м СГС 1/см … Википедия

Показатель ослабления — Размерность L−1 Единицы измерения СИ м−1 СГС см … Википедия

Показатель рассеяния — Размерность L−1 Единицы измерения СИ м−1 СГС см−1 … Википедия

Поглощения коэффициент — тела, безразмерное отношение потока излучения (См. Поток излучения), поглощаемого телом, к потоку падающего на него излучения. В отличие от поглощательной способности (См. Поглощательная способность) и поглощения показателя (См.… … Большая советская энциклопедия

ПОГЛОЩЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ — отношение потока излучения, поглощённого данным телом, к потоку излучения, упавшему на это тело. В случае, если падающий поток имеет широкий спектр, указанное отношение характеризует т. н. интегральный П. к.; если же диапазон частот падающего… … Физическая энциклопедия

Источник

Поглощение света

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества.

Поглощением светаназывают ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

(24.1)

где I — интенсивность прошедшего света, —коэф-фициент пропускания.

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 l и 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 ераз.

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

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)

(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.

Источник

Поглощательная способность

Прежде чем вникнуть в повседневные последствия поглощения, нам нужно разобраться с терминологией. Хотя разнообразие связанных с поглощением света терминов далеко от причудливого безумия фотометрических единиц, они всё ещё могут запутать. Итак, приведём их в порядок, начав с поглощательной способности.

Мы встречались со способностью тел к поглощению в главе 3 при обсуждении излучения абсолютно чёрного тела. Поглощательная способность (absorptivity) – это безразмерное число между нулем и единицей, которое сообщает вам, какая доля падающего излучения поглощается. Это свойство целого объекта, зависящее не только от материала, но и от геометрии. Помните, что в главе 3 мы обсудили, как шар с блестящими внутренними стенками всё ещё может обладать высокой поглощательной способностью. Поглощательная способность также является основным термином, использующимся людьми, работающими в области термодинамики. Таким образом, если вы не работаете с тепловыми бюджетами животных, вы вряд ли часто будете использовать «поглощательную способность» в термодинамическом смысле.

Эффективность в поглощении энергии излучения (absorptance) и поглощение (absorption) являются синонимами поглощательной способности, часто используемыми биологами. Эффективность в поглощении энергии излучения определяет количество энергии, поглощаемой поверхностью, соответственно термин предназначен дополнять понятие «прозрачности». Для меня этот термин всегда звучал странновато. Я, как и многие другие люди, изучающие поглощение света фоторецепторами, водой и другими распространёнными объектами, предпочитаю использовать просто «поглощение». Подобно поглощательной способности, поглощение зависит от геометрии. Толстая пластина чёрного стекла поглощает больше, чем более тонкая пластина того же стекла. Также нечто может поглощать свет, не обязательно будучи изготовленным из хорошо поглощающего материала. Например, если со стороны смотреть на стопку бритвенных лезвий, она выглядит удивительно чёрной, хотя сами лезвия блестящие. Падающий на грани лезвий свет отскакивает туда-сюда между блестящими лезвиями, и в конце концов поглощается.

Теперь к понятию, которое действительно отличается от приведённых выше – спектральной поглощательной способности (absorbance). Оно выглядит так:

Примечание переводчика Российский «ГОСТ 26148-84 Фотометрия. Термины и определения» знает только термин «absorptance», и определяет его как «коэффициент поглощения». В англоязычной Вики относительно этого термина указанно, что он относится к поглощению энергии излучения поверхностью материала, и в этом фактически отличается от коэффициента поглощения (absorption coefficient), который определяет долю поглощённого входящего электрического поля.

Absorptivity в словарях переводится либо как «спектральный коэффициент поглощения», либо как «интегральная лучепоглощающая способность», либо как просто «поглощающая способность». Т.е. это термин действительно из термодинамики.

Термин «absorbance» также неизвестен ГОСТу. В словарях его переводят как «спектральная поглощательная способность». В физике этому понятию соответствуют термины «optical depth» и «optical thickness»; оптическая глубина или толщина соответственно. Понятия означают долю потока излучения, прошедшего сквозь материал, и являются количественными. Близким понятием является «оптическая плотность», отличие в том, что для плотности учитывается рассеяние и отражение света внутри материала. Т.е. «absorbance» – это поглощательная способность именно для света, чуть дальше автор объяснит, чем свет отличается от всего остального.

В общем, я буду придерживаться следующего: «absorptance» = «коэффициент поглощения», «absorbance» = «спектральная поглощательная способность». Всё остальное – просто «поглощение» и «поглощающая способность», раз уж термодинамики мы не касаемся.

Автор коэффициент поглощения так и называет – «absorption coefficient», (это буду делать и я) так что получается, что под одним названием переведены два понятия. Но родной ГОСТ нужно чтить, а путаницы не будет, поскольку термин «absorptance» на протяжении книги больше не встречается.

К слову, в русскоязычных словарях интуитивно ожидаемый термин «absorption coefficient» нашёлся только в «Международном светотехническом словаре» аж 1963-го года издания. В более поздних публикациях он отсутствует.

Представьте, что у вас есть пластина из тёмного стекла толщиной в один сантиметр. Вы светите через неё параллельным лучом света и обнаруживаете, что через пластину прошло только 50% света. Хорошо, а сколько света пройдёт через такую же пластину толщиной два сантиметра? Можно предположить, что пластина двойной толщины поглотит оставшиеся 50% исходного света (оставив вас ни с чем), но на самом деле поглотится 50% из 50%, которые прошли через первый сантиметр стекла, и поэтому проникнет 25% света. Другими словами, свет поглощается экспоненциально. Это свойство встречается во многих событиях, происходящих случайным образом, например, периоды полураспада радиоактивных материалов, и не является уникальном для света. Подобно тому, как радиоактивное ядро имеет постоянную вероятность распасться в любой момент, фотон, проходящий через однородный материал, имеет постоянную вероятность столкновения с молекулой и поглощения. Как вы помните из вводного курса математического анализа, всё, что происходит экспоненциально, в логарифмическом пространстве выглядит линейно. Касательно света: при выстраивании в ряд двух объектов и пропускании через них луча света, полное значение поглощения является суммой поглощений двух объектов. Кроме того, поскольку реально имеет значение только с каким количеством поглощающих молекул взаимодействует свет, то удвоение концентрации раствора удваивает его поглощение. Это удобно тем же способом, как логарифмические линейки были удобны для умножения чисел (поскольку они добавляли логарифмы двух чисел).

К сожалению, спектральная поглощательная способность путается с коэффициентом поглощения (и синонимичным терминами эффективности в поглощении энергии любого другого излучения). По сути, возможно, это одно из самых часто ошибочно применяемых определений в оптике. Как ни странно, во многих случаях это не имеет значения, поскольку до тех пор пока поглощение света невелико, поглощение и спектральная поглощательная способность численно равны, хотя первое значение – это доля поглощённого света, а последнее – отрицательный логарифм количества прошедшего через материал света. Так происходит оттого, что когда число мало, логарифм единицы плюс это число равно только этому числу, а именно:

Итак, если поглощение невелико, то:

Рисунок 4.6: Соответствие поглощения и для известной спектральной поглощательной способности (пунктирная линия показывает соответствие значений). Для малых значений данные равны, а затем расходятся.

Например, спектральная поглощательная способность только на 5% выше поглощения, когда последнее составляет 10%, но на 40% выше, чем поглощение, когда последнее составляет 50%. Ещё важнее то, что спектральная поглощательная способность складывается, тогда как поглощение как бы умножается. Так, предположим, что у вас есть значение x на глубине воды в один сантиметр, и вы хотите выяснить, каким оно будет на глубине один метр. Вам лучше бы точно знать, является ли ваше значение поглощением или спектральной поглощательной способностью. Значение спектральной поглощательной способности для этого одного метра будет 100x, но поглощение будет 1 (1-x) 100 (через мгновение объясним, почему).

Заключительный сбивающий с толку факт об спектральной поглощательной способности заключается в том, что у неё есть второй вид, основывающийся на десятичном вместо натурального логарифма. Эта форма называется «оптическая плотность» (OD, optical density) и определяется следующим образом:

Таким образом, единица значения оптической плотности означает, что передается только 10% падающего света, двойка означает что передаётся только 1%, и так далее. Оптическая плотность в основном используется в аналитической химии, некоторыми молекулярными биологами, фотографами, пользователями и производителями оптических фильтров. Натуральный логарифм для расчёта чаще используется учеными изучающими зрение, океанографами и исследователями атмосферы. К сожалению, многие документы, люди и спектрометры не говорят вам, какой вид спектральной поглощательной способности они используют, поэтому будьте осторожны. Эти две формы отличаются только мультипликативной константой (OD = Alog₁₀e ≈ 0.43A), но этой разницы может быть достаточно, чтобы внести путаницу.

От поглощательной способности к поглощению: коэффициент поглощения

Предположим, вы хотите знать, сколько сине-зелёного света поглощается после прохождения через десять метров озёрной воды. Или предположим, что вам нужно узнать, сколько света поглощается фоторецептором, если он увеличится в размере в два раза. Вы могли бы взять сине-зелёный лазер и просветить им через искомую толщу воды, а также могли бы измерить поглощение фоторецепторами обеих размеров, но во многих случаях это неудобно или невозможно. Часто у вас есть возможность получить данные только для одной длины образца. К счастью, это измерение можно использовать чтобы достаточно хорошо оценить поведение света как на более длинных, так и более коротких образцах.

Процесс работает следующим образом. Предположим, у вас есть пластина из материала определённой толщины, скажем, в один сантиметр. Теперь направляем через материал свет с определённой длиной волны. Сколько будет поглощено света? Предположим, что пластина не имеет значительного отражения или рассеяния, и весь свет либо проходит через неё, либо поглощается. Таким образом, доля поглощенного света:

Инвертирование уравнения 4.1 дает вам:

где a – поглощательная способность одного см материала пластины.

Но что, если пластина толщиной не в один сантиметр? Предположим, что она имеет толщину d см. Мы знаем, что поглощательные способности частей складываются, поэтому новая поглощательная способность всей пластин любой толщины – это ad. Это значит, что:

Эта поглощательная способность, обычно определяемая на толщину материала в один сантиметр, называется «коэффициентом поглощения», и она, как и уравнение 4.8, невероятно полезны. Если вы знаете коэффициент поглощения, вы можете измерить, сколько света поглощается на любом расстоянии. Например, вы можете измерить коэффициент поглощения озерной воды в какой-либо ёмкости в лабораторных условиях, и использовать значение для вычисления того, сколько света поглощается на гораздо большей глубине (при условии, что вода является оптически однородной).

Формулу также можно использовать для определения того, насколько изменение размеров фоторецептора будет влиять на поглощение света. На этом примере можно рассмотреть, что поглощение света не является полностью интуитивно понятным. Более длинные фоторецепторы при прочих равных условиях, разумеется, поглощают больше света. Так и есть, давно известно, что многие виды глубоководных животных имеют исключительно длинные фоторецепторы. Однако уравнение 4.8, говорит нам, что постоянное увеличение размера фоторецептора в конечном итоге приводит к уменьшению эффективности. Например, наружные сегменты палочек (части фоторецепторов, содержащие зрительный пигмент) в сетчатке глубоководных клинобрюхих Argyropelecus sp. имеют коэффициент поглощения 0,064 на микрон для сине-зелёного света, преобладающего на глубине. Если бы клетки-палочки на сетчатке рыбы имели длину 10 мкм, они поглощали бы 47% падающего света. На глубине темно, так что давайте предположим, что рыба хотела бы поглотить по крайней мере 99% сине-зелёного света, который попадает в глаза. Можно было бы предположить, что добиться этого удастся удвоением длины наружных сегментов, но это приведет к улавливанию только к 72% света. Четырёхкратное увеличение длины палочек до 40 мкм позволит уловить только 92%. Чтобы превысить 99%, длина наружных сегментов палочек должна быть как минимум 75 мкм, что почти в восемь раз больше, чем длина палочек, уже поглощающих почти 50% света. Таким образом, можно увидеть, что улавливание последних нескольких фотонов требует значительно больших усилий, чем улавливание нескольких первых.

Этот эффект не ограничивается фоторецепторами, а является общей характеристикой поглощения света. Поглощение последних фотонов всегда занимает гораздо больше времени, чем можно было бы ожидать. Поэтому, хотя на глубине 70 метров в чистой морской воде остаётся только 10% дневного света, вы (как человек, способный адаптироваться к темноте), всё ещё можете видеть некоторый свет на глубинах до 850 метров.

Теперь, когда мы рассмотрели физику поглощения света и определились с единицами измерения, давайте посмотрим, как на самом деле в природе работает поглощение света.

Источник