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.

Рассмотрим оптически однородную среду, т.е. среду в которой оптические свойства в любых точках одинаковы. Покажем, что в такой среде рассеяние света будет отсутствовать и свет распространяется в первоначальном направлении. В однородной среде в одинаковых малых объемах световая волна индуцирует одинаковые когерентные вторичные волны. Пусть через эту среду распространяется плоская монохроматическая волна, как показано на рисунке 2. На волновом фронте АА’ выделим объем V₁ с линейными размерами малыми по сравнению с длиной волны l падающего света, но содержащий достаточно много молекул, чтобы среду можно было рассматривать как сплошную. В направлении, характеризуемом углом q, объем V₁ излучает вторичную волну. На волновом фронте АА’ всегда можно выбрать другой объем V₂ , который в том же направлении излучает вторичную волну той же амплитуды, приходящую в точку наблюдения в противофазе с волной от V₁ . Такие волны полностью гасят друг друга в результате интерференции. Из рис.2. видно, что расстояние между выделенными объемами должно быть равно l =(l/2)Sinq. Взаимное гашение будет иметь место для вторичных волн излучаемых любой парой одинаковых объемов, расположенных на волновом фронте на расстоянии l. Полное гашение вторичных волн происходит для любого угла q, кроме q=0, так как в этом направлении распространения падающей волны все вторичные волны складываются синфазно и образуют проходящую волну. Этим объясняется, что в однородной среде свет распространяется только в первоначальном направлении, и рассеяние света будет отсутствовать.

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):

dI^΄ = -K I^΄dl (1)

где К - коэффициент поглощения данного вещества. Знак минус означает, что dI^΄ и dl имеют разные знаки.

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

или

(2)

откуда (3)

где I ₀ - интенсивность света, падающего на поглощающий слой.

I - интенсивность света, прошедшего через поглощающий слой.

Уравнение (3) получило название ЗАКОНА БУГЕРА-ЛАМБЕРТА.

Отношение выраженное в процентах, называется пропусканием (прозрачностью) вещества:

(4)

Десятичный логарифм величины обратной прозрачности называется оптической плотностью вещества:

(5)

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

десятичный, получим:

 

2, 3 D = Кl (6)

откуда

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

(7)

Откуда видно, что коэффициент поглощения пропорционален величине ln(I ₀/ I). Он численно равен единице, делённой на толщину поглощающего слоя вещества, при прохождении которого интенсивность света уменьшается в е = 2,72 раз, и измеряется в обратных сантиметрах
(см ^-1). Коэффициент поглощения зависит от химической природы и состояния вещества, длины волны, не зависит от толщины слоя и интенсивности света. Из сравнения формул (5) и (7) видно, что оптическая плотность является характеристикой среды, аналогичной коэффициенту поглощения, но, в отличие от него, зависит от толщины поглощающего слоя.

 

 

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 "

или

D₁ ' = D₁ - D ", D₂ ' = D₂- D " (8)

Рис.5. Прохождение света через кювету.

 

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

2,3 D₁' = 2,3(D₁ - D") = k ι ₁,

2,3 D₂' = 2,3(D₂ - D") = k ι ₂ (9)

Вычтем второе уравнение (9) из первого:

2,3(D₁ – D₂) = k (ι ₁ - ι ₂)

Откуда получаем выражение для расчёта коэффициента поглощения

 

(10)