Лабораторная работа № 310

ЗАКОНЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА

При прохождении света через вещество электромагнитное поле световой волны возбуждает электороны атомов и молекул этого вещества. Энергия возбужденных электронов излучается в виде вторичной световой волны, распространяющейся в данном веществе, и частично поглощается атомами и молекулами в виде тепловой энергии. На практике поглощение света определяется по изменению его интенсивности.

Бугер (1729 г.) экспериментальным путем, а Ламберт (1760 г.) теоретически установили связь между интенсивностью света I₀, входящего в вещество, и интенсивностью света I, выходящего из него:

I = I₀ е^-kd,

Где k – коэффициент поглощения, зависящий от вида вещества и длины волны падающего на него света (знак "минус" указывает на убывание интенсивности); d – толщина поглощающего слоя.

Из уравнения следует, что коэффициент поглощения – величина обратная толщине слоя вещества, по прохождении которого интенсивность света уменьшается в е = 2,72 раза.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны света называется спектральной характеристикой вещества, определяющей окраску тел в проходящем свете. Тела, имеющие малый коэффициент поглощения в видимой области спектра, являются прозрачными неокрашенными. Например, стекло толщиной 1 см поглощает лишь около 1% проходящих через него видимых лучей. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи то же стекло поглощает сильно. Цветными прозрачными телами называются тела, проявляющие селективность (избирательность) поглощения в видимой области спектра. Так, "красным" является стекло с малым коэффициентом поглощения красных и оранжевых лучей и большим коэффициентом поглощения зеленых, синих, фиолетовых.

В 1862 году Беер применил закон Бугера–Ламберта для определения малых количеств вещества, растворенного в прозрачном растворителе. Он показал, что для растворенного вещества малых концентраций коэффициент поглощения линейно зависит от числа молекул растворенного вещества на единицу толщины слоя:

k = к^′ с,

где к^′ - постоянная Беера, не зависящая от концентрации растворенного вещества, с - концентрация растворенного вещества.

Объединенное уравнение Бугера-Ламберта-Беера имеет вид

.

Этот закон справедлив для сред, в которых поглощающими центрами являются молекулярные образования только одного вида. Если при растворении вещества природа поглощающих образований будет изменяться (вследствие диссоциации или ассоциации), то к^′ для различных концентраций растворенного вещества будет разной. Поэтому закон Беера применяется для разбавленных растворов, где отсутствует взаимодействие поглощающих молекулярных образований. Закон Бугера-Ламберта-Беера можно записать и в таком виде:

,

где ε = к′lge – молярный коэффициент поглощения.

Молярный коэффициент поглощения - величина постоянная, зависящая от длины волны падающего света, природы растворенного вещества, температуры раствора. Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока I₀ называется прозрачностью, или пропусканием Т:

.

Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название экстинкции Е, или оптической плотности D:

.

Зависимость Т (D) от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой образца.

В диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение тесно связано с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. Поэтому диэлектрики поглощают свет более или менее избирательно в зависимости от частоты последнего. Поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и молекулах. Для света всех других частот диэлектрик практически прозрачен, то есть его коэффициент поглощения k близок к нулю.

Жидкие и твердые диэлектрики имеют сложные спектры поглощения, состоящие из сравнительно широких полос, в пределах которых k изменяется плавно. У газов с многоатомными молекулами наблюдается ряд тесно расположенных линий, образующих полосы поглощения.

Наиболее ярко явление резонансного поглощения обнаруживается у разреженных одноатомных газов, имеющих линейчатый спектр поглощения. Металлы практически непрозрачны для света, что обусловлено наличием в них свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение, создавая в металле быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулева тепла. В результате энергия световой волны переходит во внутреннюю энергию металла.

Рассмотрим теперь отражение света. Окраска тел в отраженном свете определяется спектральным составом отраженного излучения и характеризуется зависимостью коэффициента отражения R от длины волны.

Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивности отраженного света I_R к интенсивности света I₀, падающего на отражающую поверхность:

,

Зависимость коэффициента отражения R от длины волны называется спектральной характеристикой отражения.

Тело, коэффициент отражения которого равен единице во всей видимой области спектра, является идеально белым. Тело, коэффициент отражение которого близок к единице (например, в красной области спектра) а в остальных областях мал, в отраженном свете будет красным. Более сложная окраска определяется видом спектральной характеристики отражения, хотя связь между цветом и спектром отражения неоднозначна. Наиболее высоким коэффициентом отражения обладают металлы. Если у стекла коэффициент отражения примерно 4%, то у металлов он достигает 80% - 90%.