Поглощение света

Введенный нами в классической теории дисперсии коэффициент q, который входил в выражение для тормозящей силы и характеризовал затухание колебаний электрона в атоме, объясняет фактически явление абсорбции или поглощение света. Действительно, мы получили, что амплитуда плоской волны, распространяющейся в поглощающей среде, затухает, и записали также закон изменения интенсивности волны, так называемый закон Бугера (см. формулу (5.25) ,

где I ₀ - интенсивность волны, вступающей в вещество, d – толщина слоя, a_l - коэффициент поглощения, зависящий, в общем, от длины волны и равный 4 px / l ₀.

При q = 0 коэффициент g, χ (а следовательно, и a_l) обращается в нуль, т.е. среда, для которой q = 0, не поглощает света. Однако, коэффициент q скрывал в себе целый ряд различных процессов, ведущих к растрате энергии, заимствованной электроном от падающей волны. Мы говорили о радиационном затухании, например, вследствие излучения колеблющимся электроном вторичных волн. Эта причина не вызывает превращения лучистой энергии первичной волны в другие формы энергии, а лишь обуславливает рассеяние этой лучистой энергии во все стороны. Затухание вследствие рассеяния проявляется для изолированного осциллятора. Вторичные волны, рассеянные различными осцилляторами среды, когерентны между собой. Вследствие интерференции вторичных волн в однородной среде ослабление падающей волны может быть скомпенсировано. Затухание вследствие излучения тем больше, чем больше излучение, т.е. чем больше амплитуда вынужденного колебания. Так как в знаменателе выражения для амплитуды стоит (w ₀² - w ²), как представлено в формуле, то она достигает максимума при w = w _0, т.е. максимальное поглощение соответствует той частоте w = w ₀, которая совпадает с частотой собственного колебания атома.

Существуют также процессы, ведущие к "истинному" поглощению света, т.е. сопровождающиеся переходом лучистой энергии волны в иную форму, например: в тепло. Для газовой фазы, например, такой процесс состоит в столкновении возбужденного, колеблющегося атома с другим атомом с превращением колебательной энергии в энергию поступательного движения столкнувшихся атомов, т.е. в тепло. И этот процесс поглощает особенно много энергии в том случае, когда w = w ₀. В случае конденсированных сред передача энергии от возбужденного атома или молекулы облегчена в силу плотного расположения частиц и сильного их взаимодействия.

Поскольку коэффициент поглощения a_l в законе Бугера зависит от длины волны (от длины волны или частота зависит коэффициент затухания g или χ), то обычно его значения дают в виде таблиц или графика довольно сложного вида. Зависимость a_l от длины волны света называют спектром поглощения вещества.

Например, для паров большинства металлов при невысоком давлении, представляющих собой совокупность изолированных атомов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, коэффициент поглощения очень мал везде, и лишь для очень узких спектральных областей (шириной в несколько сотах ангстрема) обнаруживает резкие максимумы. Положения максимумов соответствуют частотам собственных колебаний атомов. Спектр поглощения многоатомных газов представляет ряд более или менее сложных полос. По мере повышения давления газов спектры поглощения их становятся все более расплывчатыми и приближаются при высоких давлениях к спектрам поглощения жидкостей, которые имеют широкие полосы (шириной единицы - тысячи Å) с плавным ходом изменения коэффициента поглощения.

Закон Бугера имеет ограниченную область применимости, но если интенсивность света не слишком велика и продолжительность пребывания атомов и молекул в возбужденном состоянии достаточно мала, то закон выполняется с высокой степенью точности. Это означает, что показатель поглощения не зависит от интенсивности света, а следовательно, и от толщины поглощающего слоя.

Исследование вопроса о поглощении света средой, плотность которой не везде одинакова, показало, что "свет может претерпевать равные изменения, лишь встречая равное число частиц, способных задерживать лучи или рассеивать их". Следовательно, для поглощения имеют значение "не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах". Во многих случаях, когда имеет место поглощение света молекулами газов или молекулами вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, коэффициент поглощения оказывается пропорциональным числу молекул на единицу длины пути световой волны или на единицу объема, т.е. пропорционален концентрации С. Обобщенный закон Бугера принимает вид:

, где a _l¢ - коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего вещества.

Утверждение, что a _l¢ есть постоянная величина, не зависящая от концентрации, именуется законом Бера, физический смысл которого состоит в том, что поглощающая способность молекулы не зависит от влияния окружающих молекул. Закон этот надо рассматривать скорее как правило, ибо наблюдаются отступления от него, особенно при больших концентрациях, когда значительно уменьшаются расстояния между молекулами поглощающего вещества. Обнаружена также зависимость a _l¢ от природы растворителя.

В тех случаях, когда a _l¢ можно считать не зависящим от концентрации поглощающего вещества, обобщенный закон Бугера используется для определения концентрации путем измерения поглощения, которое может быть выполнено очень точно при помощи фотометров более или менее сложной конструкции. Этим приемом пользуются в лабораторной и промышленной практике для быстрого определения концентрации вещества, химический анализ которого оказывается очень сложным.