36.Бугера-Ламберта-Бера закон

Бугера-Ламберта-Бера закон, определяет ослабление пучка монохроматического света при его прохождении через поглощающее вещество. Если интенсивность пучка, падающего на слой вещества толщиной l, равна I₀, то, согласно Бугера-Ламберта-Бера закону, интенсивность пучка на выходе из слоя I(l)=I₀е^-kλ^l, где k_λ — показатель поглощения, различный для разных длин волн К, но не зависящих от интенсивности света I. Для растворов kλ, можно представить в виде произведения концентрации поглощающего вещества С на удельный показатель поглощения η, характеризующий ослабление пучка света в растворе единичной концентрации и зависящий от природы и состояния вещества и от λ. Тогда Бугера-Ламберта-Бера закон записывается в виде: I(l)=I₀е^-ηCl. Бугера-Ламберта-Бера закон открыт экспериментально французским учёным П. Бугером (P. Bouguer) в 1729, выведен теоретически немецким учёным И. Г. Ламбертом (J. H. lmbert) в 1760, а для растворов сформулирован немецким учёным А. Бером (A. Beer) в 1852. (см. Поглощение света).

Предполагаемая в Бугера-Ламберта-Бера законе независимость η от концентрации раствора и природы растворителя носит приближённый характер. При высоких значениях С в газах и растворах η уже не является постоянной величиной, а заметно изменяется вследствие взаимодействий между молекулами поглощающего вещества. В тех случаях, когда η можно считать не зависящим от концентрации, Бугера-Ламберта-Бера закон используется для определения концентрации поглощающего вещества путём измерения поглощения, которое может быть выполнено очень точно. Увеличивая толщину слоя l, можно определять ничтожно малые концентрации вещества. 

Физический смысл Бугера-Ламберта-Бера закона состоит в утверждении независимости процесса потери фотонов от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света, проходящего через вещество. Это утверждение справедливо в широких пределах, однако, когда интенсивность света очень велика (например, в сфокусированных пучках импульсных лазеров), kλ становится зависящим от интенсивности (см. Просветления эффект, Нелинейная оптика) и Бугера-Ламберта-Бера закон перестаёт быть применим.

Если свет от лампы накаливания проходит через цветное стекло или раствор краски, то цвет его изменяется. Исследование спектра такого «профильтрованного» света показывает, что в нем отсутствуют или ослаблены некоторые спектральные участки, соответствующие тем длинам волн, которые поглощаются красящим веществом. Такой спектр называется спектром поглощения. Вид спектра поглощения зависит от поглощающего вещества. Для разных веществ области поглощения получаются на разных местах спектра и имеют различную ширину и интенсивность. Во многих случаях по виду спектра поглощения раствора можно определить, каким поглощающим веществом он вызван, т. е. произвести анализ раствора. | Однако в большинстве случаев спектры поглощения твердых и жидких тел или растворов имеют вид широких полос, захватывающих большую часть спектра и в значительной степени перекрывающих друг друга. Поэтому отличие одного поглощающего вещества от другого по их спектрам поглощения нередко представляет затруднения. Тем не менее практические методы анализа по спектрам поглощения играют все большую и большую роль. Успеху дела сильно помогает использование наряду с видимой областью спектра также ультрафиолетовой и инфракрасной областей.

37. Рассе́яние све́та — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока.

Пусть  и ` — частоты падающего и рассеянного света соответственно. Тогда

• Если  = ` — упругое рассеяние

• Если  ≠ ` — неупругое рассеяние

• >` — стоксово рассеяние

• <` — антистоксово рассеяние

Рассеиваемый свет даёт информацию о структуре и динамике материала.

Виды рассеяния, свойственные для света:

• Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах, размером много меньше длины волны.

• Рассеяние Ми — упругое рассеяние на крупных частицах.

• Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна — неупругое рассеяние на колебаниях решётки.

• Комбинационное (рамановское) рассеяние — неупругое рассеяние на атомных колебаниях в молекуле.

• Рассеяние Тиндаля — упругое рассеяние света неоднородными средами.

Молекулярное рассеяние

При отсутствии инородных частиц оптическая неоднородность может возникнуть в силу статистической природы теплового движения частиц. Т. е. вследствие теплового движения молекулы распределены в пространстве не строго равномерно. В каждый момент времени имеются отклонения от равномерного распределения, т. е. число молекул в единице объема испытывает колебания - возникают флуктуации плотности, благодаря которым среда становится мутной, и в ней может происходить рассеяние света. Поскольку "мутность" среды не обусловлена никакими посторонними частицами, то рассеяние света в такой среде получило название Молекулярного рассеяния.

Так как линейные размеры объема, в котором происходит флуктуация числа частиц, значительно меньше длин волн видимого излучения, то молекулярное рассеяние называют также рэлеевским.

Впервые на рассеяние света тепловыми флуктуациями указал польский физик М. Смолуховский в 1908 г., который развил теорию молекулярного рассеяния света разреженными газами.

Молекулярное рассеяние света чистыми без примесей твердыми и жидкими средами отличается от нерезонансного рассеяния газами вследствие коллективного характера флуктуации показателя преломления, обусловленного флуктуацией плотности и температуры среды при наличии достаточно сильного взаимодействия между частицами. Теорию упругого рассеяния жидкостями развил в 1910 г. Эйнштейн, исходя из идей Смолуховсккого.

Основные выводы, вытекающие из теории Эйнштейна, также совпадают с результатами теории Рэлея, так как флуктуационные неоднородности считают малыми по сравнению с длиной волны.

Ультрамикроскоп — оптический прибор для обнаружения частиц столь малых размеров (до 2 нм), что их нельзя наблюдать в обычные микроскопы. В ультрамикроскоп наблюдаются не сами частицы, а большие по размерам пятна дифракции света на них. Размеры и форму частиц в ультрамикроскоп установить нельзя, однако можно определить их концентрацию и вычислить средний размер. Применяется при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты воздуха и воды и т. д. Примером использования ультрамикроскопа для изучения наночастиц может служить метод анализа траекторий наночастиц.

38. Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела^[1]. Имеет сплошной спектр, максимум которого зависит от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра. Тепловое излучение имеет нагретый металл, земная атмосфера, белый карлик^[1][2].

Примером механизма, приводящего к тепловому излучению может служить тормозное излучение или ударное возбуждение атомных уровней с последующим высвечиванием. Характерной чертой является то, что при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий hν~kT, в спектре начинается экспоненциальный завал.^[3]

В случае, если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектруабсолютно черного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.

Основные понятия и характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Энергетическая светимость тела - — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

 ;   Дж/с·м² = Вт/м²

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

Поглощающая способность тела —   — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот   вблизи 

где   — поток энергии, поглощающейся телом.

— поток энергии, падающий на тело в области   вблизи 

Отражающая способность тела

Отражающая способность тела —   — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот  вблизи

где   — поток энергии, отражающейся от тела.

 — поток энергии, падающий на тело в области   вблизи 

Абсолютно чёрное тело

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

 — для абсолютно чёрного тела

Серое тело

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

 — для серого тела

Объемная плотность энергии излучения

Объемная плотность энергии излучения —   — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объёма по всему спектру частот

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии —   — функция частоты и температуры, связанная с объемной плотностью излучения формулой:

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

 — для абсолютно чёрного тела