Лекция 6 — Поглощение света.Рассеяние света

6
Поглощение света. Рассеяние света

План лекции:
1. Поглощение света. Законы Бугера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера.
2. Коэффициент пропускания. Оптическая плотность раствора.
3. Рассеяние света. Закон Рэлея.

Вопрос 1. Поглощение света. Законы Бугера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера.

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеивания его молекулами (атомами) вещества.
Поглощением (абсорбцией) света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.
Установим закон поглощения света веществом. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx (рис.1).

рис.1

то естественно считать, что ослабление интенсивности dI света этим слоем при поглощении будет тем больше, чем больше толщина слоя и интенсивность света, падающего на этот слой:
13 EMBED Equation.3 1415 (1)
k – натуральный показатель преломления
(k - коэффициент пропорциональности, зависящий от поглощающей среды и не зависящей в определённых пределах от интенсивности света);
Знак « минус » означает, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается, т.е. dI<0.

Интегрируя (1) и подставляя соответствующие пределы, получаем:

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
откуда, потенцируя, имеем:
13 EMBED Equation.3 1415 (2)
(2) – экспоненциальный закон поглощения света Бугера.



Пьер Бугер


Для различных веществ значения коэффициента поглощения – k весьма различны:
- для воздуха (при нормальном давлении) k имеет порядок 10-3 м-1
- для стекла – 1 м-1
- для металлов – 106 м-1
Это означает, что для трехкратного ослабления интенсивности света достаточен слой металла толщиной = (1/106 м) = 1 мкм, или слой стекла = (1/1 м) = 1 м, или слой воздуха толщиной = (1/10-3 м) = 1 км.
Как видно, натуральный показатель поглощения k является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в e раз. Натуральный показатель поглощения k зависит от длины волны света, поэтому целесообразно закон (2) записать для монохроматического света:

13 EMBED Equation.3 1415 (3)
(3) закон Бугера-Ламберта

k
· – монохроматический натуральный показатель поглощения.
Как уже указывалось в предыдущих лекциях, в области аномальной дисперсии происходит наиболее сильное поглощение света, монохроматический натуральный показатель поглощения k
· при этом достигает max.
Зависимость k
· = f(
·) является источником информации о состоянии вещества.



Иоганн Генрих ЛАМБЕРТ


Закон поглощения с учетом концентрации называют законом Бугера-Ламберта-Бера:
13 EMBED Equation.3 1415 (4)

· – натуральный показатель поглощения света, отнесенный к концентрации вещества,
k=
·С – это соотношение установил Бер для слабых растворов.
В лабораторной практике закон (4) обычно выражают через показательную функцию:
13 EMBED Equation.3 1415 (5)
Причем
· и
· связаны соотношением:

13 EMBED Equation.3 1415 (6)


· – молекулярная оптическая плотность.
Вопрос 2. Коэффициент пропускания. Оптическая плотность раствора

Отношение 13 EMBED Equation.3 1415 (7)
называют коэффициентом пропускания (иногда прозрачностью или светопропусканием раствора).
Десятичный логарифм отношения 13 EMBED Equation.3 1415 называют оптической плотностью:
13 EMBED Equation.3 1415 (8)
или 13 EMBED Equation.3 1415 (9)

Молекулярная оптическая плотность –
· колеблется от 500 (слабо окрашенные растворы) до 200 000 (сильно окрашенные растворы).
На основе закона Бугера-Ламберта-Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе – концентрационная колориметрия. В этих методах непосредственно измеряют световые потоки, прошедшие через раствор, коэффициент пропускания или оптическую плотность. Прибор называется колориметром.
Если два раствора одного и того же вещества, имеющие концентрации C1 и C2 и толщины 1 и 2 поглощают свет одинаково, то их оптические плотности равны:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMB
·ED Equation.3 1415
откуда 13 EMBED Equation.3 1415 (10)
Соотношение (10) показывает возможность измерения концентрации растворов.

Вопрос 3. Рассеяние света

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям.
Необходимое условие для возникновения рассеяния света – наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.
Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны.
Отличие между ними в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние – сложением (неинтерференцией) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под действием света.

Различают 2 вида неоднородностей:

мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым, туман, эмульсии и т.п. Рассеяние света в мутных средах называют явлением Тиндаля.
оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности).

Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например, рассеяние света в атмосфере.
Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают с помощью показательной функции:
13 EMBED Equation.3 1415 (11)
k - показатель рассеяния.

При совместном действии поглощения и рассеяние света ослабления интенсивности также является показательной функцией:
13 EMBED Equation.3 1415 (12)

·'- показатель ослабления.

Нетрудно увидеть, что
·'=
·+k

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2
·, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны – закон Рэлея:
13 EMBED Equation.3 1415 (13)
Это означает, что из белого света веществом будут преимущественно рассеиваться голубые и фиолетовые лучи, а красные проходить в направлении падающего света (рис.2).


рис.2


Аналогичное явление наблюдается в природе: голубой цвет неба – рассеянный свет, красный свет заходящего Солнца – изменение спектра белого света из-за значительного рассеяния голубых и фиолетовых лучей в толще атмосферы при наклонном падении.
Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответственный свет светофора – красный и т.п.
Инфракрасные лучи (ИК - лучи) рассеиваются еще меньше.
Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея – в знаменателе дроби будет стоять
·2. Рассеянный свет теряет свою голубизну и становиться белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белёсым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.
Направление рассеянного света, степень его поляризации (см. в следующей лекции), спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д.
Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы – нефелометрами.




В этом методе закон Рэлея:
13 EMBED Equation.3 1415 (14)
k – коэффициент пропорциональности,
С – концентрация раствора,
V – объем,

· – плотность коллоидных частиц,

· – длина волны света.

Концентрация вещества определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (15)
h1 и h2 – пути пройденные рассеянным светом.


















Литература:

А.Н. Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. – М.: Издательство «Высшая школа», 1982.
Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина. Физика. – М.: Издательство «Дизайн Про», 2001.
Ф.К. Горский, Н.М. Сакевич. Физический практикум с элементами электроники. – М.: Издательство «Высшая школа», 1980.
Р.И. Грабовский. Курс физики. – СПБ.: Издательство «Лань», 2006.












13PAGE 15


13PAGE 144615




















Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 6794509
    Размер файла: 681 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий