Основные теоретические положения. Цель работы: изучение явления поглощения света, определение оптической плотности, пропускания, контрастности и добротности световых фильтров

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ

Цель работы: изучение явления поглощения света, определение оптической плотности, пропускания, контрастности и добротности световых фильтров.

Внутренняя энергия молекул не может изменяться непрерывно. Каждая молекула обладает набором дискретных квантовых энергетических состояний, которые отличаются друг от друга энергией электронов, находящихся в электростатическом поле атомных ядер, энергией колебания этих ядер относительно друг друга и энергией вращения молекулы как целого. Если молекуле сообщается количество энергии, которое требуется для перехода ее из основного состояния в возбужденное, то она может поглотить эту энергию, при этом с определенной вероятностью произойдет соответствующий переход. Световое излучение отдает свою энергию молекуле, и молекула переходит в возбужденное состояние.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волны при прохождении ее через вещество вследствие возбуждения колебаний электронов среды. Эта энергия частично переходит во внутреннюю или в энергию вторичного излучения. Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера:

, (7.1)

где I _o, I – интенсивность плоской монохроматической волны падающего и прошедшего через слой вещества излучения соответственно, a – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны l (или частоты) света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света, d – толщина поглощающего слоя.

Поглощение света молекулой происходит только в том случае, если разность энергий между двумя уровнями точно равна энергии кванта , где Е ₂ и Е ₁ – энергия одной молекулы в конечном (верхний уровень) и начальном (нижний уровень) состояний соответственно. Когда на поверхность реагирующей системы (например, поверхность реакционного сосуда) падает излучение с интенсивностью I _o, часть его отражается I_r, часть поглощается I_a, а оставшаяся часть I проходит через среду или (рис. 7.1).

Величину называют пропусканием или коэффициентом пропускания. Она обычно выражается в процентах. Интенсивность излучения, проходящего через слой раствора, определяется законом Ламберта-Бера

или , (7.2)

где a – коэффициент поглощения, – молярный коэффициент поглощения, l – толщина облучаемого слоя, с – концентрация вещества.

Из закона Ламберта-Бера следует, что коэффициенты поглощения a или являются постоянными величинами, которые не зависят от концентрации, толщины слоя и интенсивности излучения, но зависят от длины волны излучения.

Для практических применений более удобно выразить закон Ламберта-Бера в несколько иной форме, используя величины экстинкции Е, поглощаемости А или оптической плотности D

. (7.3)

Между оптической плотностью и пропусканием выполняется следующее соотношение: . Интенсивность излучения, поглощаемого данным слоем раствора, определяют по уравнениям

, (7.4)

.

Если раствор облучают светом с интенсивностью I _o в реакционном сосуде с площадью активной поверхности S (т.е. поверхности, подвергающейся действию излучения), количество поглощенной энергии равно

, (7.5)

где V – объем раствора.

Рис.7.1 Схема прохождения света через вещество.

На основании формулы (7.1) в слое вещества толщиной l интенсивность поглощаемого света определяется выражением

, (7.6)

Тогда, число квантов, поглощаемых на единицу поверхности в слое толщиной dx,

. (7.7)

Энергия, которая поглощается одним граммом пленки полимера на глубине х, определяется следующим уравнением:

, (7.8)

где t – время облучения, v – удельный объем вещества.

Коэффициент поглощения a различается для разных веществ. Для одноатомных газов и паров металлов, где атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, a ® 0 и только в узких спектральных областях (10^-12 – 10^-11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти области резкой абсорбции атомов соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов. Колебания атомов в молекулах расширяют спектр поглощения, образуя полосы поглощения (около 10^-10 – 10^-7 м). Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (порядка 10^-3 – 10^-7 м^-1) из-за отсутствия свободных электронов, однако в условиях резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах возникает сплошной спектр поглощения.

Для металлов a велико (10³ – 10⁵ см^-1), так как из-за существования свободных электронов световая энергия быстро переходит во внутреннюю. Коэффициент поглощения a зависит от длины волны, поэтому поглощающие вещества окрашены. Например, стекло, слабо поглощающее красные лучи и сильно поглощающее синие и зеленые лучи, при освещении белым светом будет казаться красным, а при освещении синим и зеленым светом – черным из-за сильного поглощения. Это явление используется в светофильтрах, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определенных длин волн. Таким образом, чем больше a для данной длины волны, тем отчетливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра поглощения.

Дата добавления: 2015-06-04