Лабораторные работы 311, 311а

Применение универсального фотометра фм-56 для получения спектральных характеристик поглощения твердого прозрачного образца

Применение универсального фотометра фм-58 для получения зависимости коэффициента отражения твердого образца от длины волны падающего света

Взаимодействие света с веществом

Формулируя законы отражения и преломления света, мы основывались только на опытных данных. Эти законы дают правильный ответ на вопрос о направлении отраженной и преломленной волн, но ничего не говорят о том, каким образом влияет на световую волну вещество тех сред, через которые проходит свет.

Распространение света в веществе представляет собой взаимодействие электромагнитного поля световой волны с электронной оболочкой атомов и молекул. Частота переменного электрического поля световой волны очень велика: около 10¹⁵Гц. Поэтому только заряженные частицы очень маленькой массы могут следовать за изменением поля световой волны. Такими частицами являются электроны. Атомы и их ядра не могут следовать за изменением этого поля в силу их большой инертной массы.

Взаимодействие электронной оболочки атомов с электромагнитным полем световой волны приводит к их возбуждению. Возбужденные атомы, приходя в нормальное (невозбужденное) состояние, излучают электромагнитные волны, получившие название вторичных волн (или вторичного излучения). Поскольку среднее расстояние между атомами в жидкостях и твердых телах мало по сравнению с длиной цуга волн (около 3м), то электронные оболочки большого числа атомов возбуждаются одним цугом волн. Поэтому вторичные волны оказываются когерентными как между собой, так и с падающей световой волной. Эти волны взаимно интерферируют. Их интерференцией объясняются явления отражения, преломления и рассеяния света в веществе.

Дисперсия света

Дисперсией света называется совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины световой волны. Первые экспериментальные исследования этой зависимости принадлежат Ньютону, который произвел (1672 г.) знаменитый опыт с разложением света на цвета (в спектр) при преломлении в призме. В прозрачных бесцветных средах показатель преломления n растет с уменьшением длины волныλ₀, гдеλ₀ – длина волны в вакууме. Величина, называемаядисперсией вещества, так же увеличивается по модулю с уменьшениемλ₀ . Такой характер дисперсии называютнормальным (рис. 1 участки 1-2 и 3-4).

Возможен и обратный ход дисперсии, когда показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. Такой вид дисперсии называется аномальной (рис. 1 участок 2-3). Было установлено, что аномальная дисперсия тесно связана с поглощением света. Все вещества, для которых наблюдается аномальная дисперсия, сильно поглощают свет в этой области частот. На рис.1 штриховая линия изображает кривую поглощения.

Законы поглощения света

При распространении света в веществе энергия электромагнитных волн уменьшается. Это явление называется поглощением света в веществе или абсорбцией света. О поглощении света веществом принято судить по изменению его интенсивности в зависимости от пройденного расстояния.

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

I = I₀ e ^-kd, (1)

где k– коэффициент поглощения, зависящий от длины волны падающего света и вида вещества,d– толщина поглощающего слоя, знак «минус» указывает на убывание интенсивности. Закон справедлив, когда падающий поток монохроматичен. Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности света и от толщины слояd. Из уравнения (1) следует, что коэффициент поглощения численно равен величине, обратной толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность уменьшается ве= 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой вещества,определяющей окраску тел в проходящем свете. Тела, имеющие малый коэффициент поглощения в видимой области спектра, являются прозрачными неокрашенными. Например, силикатное стекло толщиной 1 см поглощает лишь около 1% проходящих через него видимых лучей. Ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи это же стекло поглощает сильно. Цветными прозрачными телами называются тела, проявляющие селективность пропускания света в видимой области спектра. Так, красным является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи, и сильно поглощающие синие, фиолетовые и зеленые.

Селективным отражением света от поверхности объясняется окраска непрозрачных тел. Синие стены хорошо отражают синий свет. Однако, окраска тела зависит не только от оптических свойств поверхности тела (красителя), но и от спектрального состава падающего света. Например, тело, покрытое красной краской, будет казаться черным при освещении его зеленым светом.

В 1862 году Беер применил закон поглощения света для определения малых количеств вещества, растворенного в прозрачном растворителе. Он показал, что для малых концентраций растворенного вещества коэффициент поглощения линейно зависит от числа молекул растворенного вещества на единицу пути света в растворе: k = k’с.Объединенное уравнение Бугера-Ламберта-Беера имеет следующий вид:

I = I₀ e^-k’cd , (2)

где k’– постоянная Беера, не зависящая от концентрации растворенного вещества и толщины слояd,с– концентрация вещества. Формулу (2) можно представить и в таком виде:

I = I₀ e^-k’cd = I₀ (10 ^lge)^-k’cd = I₀ 10 ^-εcd, (3)

где ε = k’lge – молярный коэффициент погашения.

Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потокаI₀называетсяпрозрачностью или пропусканием Т: