Фізичні явища при поглинанні світла - студопедія

При проходженні світла через речовину частина фотонів захоплюється атомами речовини і світловий потік послаблюється. Захоплення фотона може відбуватися внаслідок фотоефекту чи внаслідок порушення атома, при якому фотон переводить оптичні електрони атома на більш високі енергетичні рівні. Чим більше атомів і молекул зустрінеться на шляху світлового потоку, тим більша ймовірність захоплення фотона і тим більше поглинання світла. Направимо на плоску поверхню циліндра паралельний пучок світла вздовж осі циліндра ОХ (рис.). Нехай I0 - інтенсивність падаючого світла. На відстані l від поверхні

З цієї формули видно, що показник поглинання k є величина зворотна товщині такого шару речовини, який послаблює інтенсивність світла в е раз (т. Е. Приблизно в 2,3 рази). Розмірність показника поглинання - м -1

Рівняння має назву закону Бугера (по імені французького вченого П'єра Бугера, який встановив цей закон дослідним шляхом в 1729 р).

Досвід показує, що в багатьох випадках, коли світло поглинається молекулами речовини, розчиненого в прозорому розчиннику, показник поглинання пропорційний числу поглинаючих світло молекул на одиницю довжини світлового пучка, або, що те ж, на одиницю об'єму, т. Е. Пропорційний; концентрації розчину: k = AС. де a - показник поглинання світла на одиницю концентрації речовини. Ця залежність була встановлена ​​в 1852 році німецьким вченим А. Бером. Підставляючи значення в (5.17), отримаємо закон Бугера-бери I = Io e - aCl.

Слід, однак, відзначити, що така проста залежність показника поглинання від концентрації розчину спостерігається далеко не завжди.

Прологаріфміровав рівність (5.21) і перейшовши від натуральних логарифмів до десятковим, знайдемо значення показника поглинання

Десятковий логарифм відносини інтенсивності падаючого на речовину світла до інтенсивності світла, що пройшло через цю речовину називають оптичною щільністю речовини: D = lg (I0 / I). Таким чином,

де ми позначили aê 2,3 = e.

Оптична щільність розчину пропорційна концентрації речовини в розчині і товщині шару, в якому відбувається поглинання. Оптична щільність характеризує яка поглинає здатність речовини. Якщо світло поглинається складною системою (наприклад, біологічною тканиною), то загальна величина оптичної щільності такої системи дорівнює сумі оптичної щільності складових її компонентів, що пояснюється незалежністю акту поглинання фотонів одним компонентом від властивостей іншого компонента.

Ставлення Т = I êI0 називають коефіцієнтом пропускання. Очевидно, що D = lg (l êT). Вимірювання коефіцієнта пропускання зводиться до вимірювання інтенсивностей світла, що падає на вимірювальний прилад (фотоелемент або фотопомножувач - ФЕУ), без досліджуваного об'єкта (I0.) І після проходження через об'єкт (I).

Оптична щільність, рівна 1, відповідає пропускання 0,1 або 10%. Оптична щільність, рівна 2, відповідає 1% пропускання і т. Д.

Показник поглинання і оптична щільність залежать від довжини хвилі. Залежність оптичної щільності від довжини хвилі називають спектром поглинання. Графік цієї залежності являє собою криву з максимумами в певних інтервалах довжин хвиль, в яких відбувається сильне поглинання світла даною речовиною. Ці інтервали називають смугами поглинання. У прозорих тіл (вода, скло) смуги поглинання знаходяться в інфрачервоній або в ультрафіолетовій частині спектру. У білків максимум поглинання відповідає 250 нм. у нуклеїнових кислот - 60 нм і т. п. У забарвлених тел смуги поглинання лежать (хоча б частково) в .відімой частини спектра. Так, зелене тіло поглинає світло в усіх ділянках видимого спектру, крім зеленого. Якщо ж зелене тіло висвітлити, наприклад, червоним світлом, то тіло буде здаватися «чорним», так як червона частина спектра цим тілом поглинається.

Якщо світло від джерела, що дає суцільний спектр, пропустити через розріджений газ або пар, то на спектрі з'являться чорні лінії або смуги, відповідні лініях або смугах спектра випромінювання даного газу або пари. Спектри поглинання пояснюються законом Кірхгофа, згідно з яким іспускательной здатність речовини при даній температурі і довжині хвилі пропорційна його поглинальної здатності.

Багато рослин мають зелене забарвлення, зумовлену хлорофілом (точніше, кількома видами хлорофілу - а, б і ін.). Так, у хлорофілу а є дві смуги поглинання в інтервалах 400-440 нм і 600-630 нм, т, е. Майже в усіх ділянках видимого спектру, крім зеленого і трохи червоного. Тому листя рослин мають зелене забарвлення, злегка підфарбовану червоним кольором, що добре відомо художникам і було доведено К. А. Тімірязєва. Решта ділянок спектра листя поглинають, і енергія поглиненого світла витрачається на фотосинтез і частково на їх нагрівання.

Ступінь поглинання світла речовиною визначається його молекулярною складом. Іноді досить невеликого відмінності в будові молекул двох речовин, щоб викликати суттєві відмінності в ступені поглинання ними світла. Так, будова молекули гема (барвника гемоглобіну) вельми схоже з будовою молекули хлорофілу а. Активні центри обох молекул, захоплюючі фотони, складаються з порфіринових кілець, проте в центрі активної групи хлорофілу знаходиться атом магнію, а в молекулі гема - атом заліза, який і визначає червоне забарвлення крові замість зеленого забарвлення листя. Забарвлення мінералів, а отже, і поглинання ними світла залежать іноді від дуже малих кількостей домішок металів залізної групи (марганець, залізо, хром). Особливо сильно впливає хром, який в зв'язку з цим і отримав свою назву (грец. Хрому - колір). Так, при невеликих домішках іонів Сг 3 до окису алюмінію А12 О3 виходить червонуватий мінерал рубін, який використовується в якості активної речовини в лазерах. Цікаво, що великі кількості того ж хрому викликають забарвлення цього мінералу в зелений колір (смарагд). Розташування смуг поглинання і забарвлення речовини залежать також і від валентності входять до нього іонів домішок. Наприклад, залізо, що входить до складу мінералу у вигляді Fe 2+. забарвлює його в зелений колір, а залізо у вигляді Fe 3+ - в червоний колір.

На початку будь-якого процесу взаємодії світла з речовиною знаходиться акт поглинання фотона електроном. Якщо енергія фотона більше роботи виходу електрона з атома, то відбувається фотоефект, який призводить до іонізації атомів і розривів хімічних зв'язків між атомами в молекулах. Фотони з меншою енергією переводять атомні електрони з основного стану на більш високі енергетичні рівні, що призводить до порушення атомів і молекул. Однак атоми і молекули, як правило, не можуть довго перебувати в збудженому стані і передають надлишкову енергію навколишньому середовищу в одному з наступних процесів.

1. Безізлучательний перехід в основний стан, при якому енергія збудження передається оточуючим молекулам і в кінцевому рахунку переходить в теплоту. Точно так же переходить в теплоту і енергія електронів, переведених в основне стан в результаті фотоефекту, якщо ці електрони залишаються всередині опромінюється тіла.

2. Фотохімічна реакція, т. Е. Реакція, обумовлена ​​збудженням молекули фотоном чи іонізацією молекули при вильоті з неї фотоелектрон.

3. Люмінесценція - перехід електронів в основний стан в молекулі з випусканням одного або послідовно декількох фотонів.

Останні два процеси відіграють особливо важливу роль у біофізики, і ми розглянемо їх більш детально.