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 IR 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%.