3. Излучение и поглощение света атомами и молекулами
3.1 Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Понятие о концентрационной колориметрии.
Поглощение света – это явление уменьшения интенсивности света при прохождении его через вещество. Уменьшение интенсивности света происходит в результате того, что энергия света переходит в другие виды энергии: энергию активизации, ионизации молекул, энергию теплового хаотического движения частиц в веществе и др.
Для однородного твердого вещества поглощение света подчиняется закону Бугера: интенсивность света I при прохождении через вещество толщиной d уменьшается по экспоненциальному закону. Закон Бугера записывается
,
(3.1)
где I0 – интенсивность монохроматического пучка света, падающего на вещество;
k – показатель поглощения, который зависит от природы вещества и длины волны падающего света.
При прохождении монохроматического света через окрашенные растворы небольшой концентрации (С ≤ 20%) и при условии, что растворитель не поглощает данную длину волны, интенсивность света также убывает по экспоненциальному закону. Закон поглощения света для окрашенных растворов называют законом Бугера-Ламберта-Бера:
,
(3.2)
где С – концентрация раствора;
χ – показатель поглощения для раствора единичной концентрации, зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света.
Графически закон
Бугера-Ламберта-Бера можно представить
в виде рис.3.1. Отношение
называют коэффициентом пропускания
или прозрачностью раствора, а Рис
3.1
величину
(3.3)
- оптической плотностью раствора.
Здесь
.
Определив оптическую плотность раствора
толщиной d для данного
вещества (χ =
const) можно найти его
концентрацию.
Метод определения концентрации окрашенных растворов, основанный на явлении поглощения света, называется концентрационной колориметрией.
Для окрашенных растворов можно определять не только их концентрацию, но и состав. При поглощении света образуются спектры, называемые спектрами поглощения. Спектр поглощения – это зависимость показателя поглощения k (для твердых однородных веществ) или χ (для растворов) от длины волны света λ. Если вещество избирательно поглощает длины волн, то образуется линейчатый (дискретный) спектр поглощения (рис.3.2)
Рис. 3.2 Рис. 3.3
Если вещество поглощает все длины волн в некотором интервале, то образуется сплошной (непрерывный) спектр поглощения (рис.3.3).
3.2 Рассеяние света. Виды рассеяния. Закон Релея. Понятие о нефелометрии.
Рассеянием света называется явление отклонения света по всевозможным направлениям при прохождении его через среду с оптическими неоднородностями. Различают два вида рассеяния:
рассеяние мутными средами (явление Тиндаля);
молекулярное рассеяние.
Мутные среды – это среды, в которых имеются неоднородные структуры (твердые частицы или капельки жидкости), из-за присутствия которых среда становится мутной. Например, дым – твердые частицы в газе; туман – капельки жидкости в газе; взвеси – твердые частицы в жидкости и т.д. Рассеяние мутными средами можно наблюдать при прохождении узкого пучка солнечных лучей сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках и весь пучок становится видимым.
Молекулярное рассеяние возникает из-за оптических неоднородностей, возникающих в результате флуктуаций (колебаний) плотности однородной среды. Флуктуации плотности являются следствием неравномерного хаотического теплового движения молекул вещества.
Релей установил, что при молекулярном рассеянии, а также при рассеянии света в мутной среде на неоднородностях, размеры которых ≤ 0,2 λ, интенсивность рассеянного света Iрас. обратно пропорциональна длине волны света в четвертой степени:
- закон Релея.
(3.4)
Это означает, что из солнечного света рассеиваются сильнее короткие волны - голубые, синие, фиолетовые, а длинные – красные, оранжевые будут проходить в направлении падающего света. Это наблюдается в природе: голубой цвет неба и красный цвет зари. Меньшее рассеяние красных лучей привело к использованию красного цвета в сигнализации.
Метод определения концентрации коллоидных растворов, а также размеров коллоидных частиц, основанный на рассеянии света называется нефелометрией.