Die Intensität des Lichts, das sich in einem Medium ausbreitet, kann aufgrund seiner Absorption und Streuung durch die Moleküle (Atome) der Substanz abnehmen.

Durch Lichtabsorption bezeichnet die Schwächung der Lichtintensität beim Durchgang durch eine Substanz aufgrund der Umwandlung von Lichtenergie in andere Energieformen.

P

Reis. 24.1

Die Absorption eines Lichtquants erfolgt während seiner inelastischen Kollision mit einem Molekül (Atom), was zur Übertragung von Photonenenergie auf Materie führt, und ist ein zufälliges Ereignis. Die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Lichtquants durch eine Probe einer Substanz mit einer Dicke l(Abb. 24.1) wird durch den Wert des Absorptionskoeffizienten 1  T geschätzt, der gleich dem Verhältnis der Intensitäten des absorbierten Lichts ist ich n = ich 0  ich zur Intensität des Vorfalls ich 0

(24.1)

wo ich ist die Intensität des durchgelassenen Lichts,
- Transmissionskoeffizient.

Lassen Sie uns das Absorptionsgesetz von Licht durch Materie ableiten. Wählen Sie eine dünne Materialschicht aus d x, senkrecht zu einem monochromatischen Lichtstrahl mit Intensität ich (ich 0  ich  ich), und wir gehen von der Annahme aus, dass die Lichtabschwächung (der Anteil der absorbierten Quanten) -d ich/ich eine solche Schicht hängt nicht von der Intensität ab (wenn die Intensität nicht zu hoch ist), sondern wird nur durch die Dicke der Schicht d bestimmt x und Proportionalitätsfaktor k  :

D ich/ich = k d x. (24.2)

Koeffizient k ist für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich und sein Wert hängt von der Art der Substanz ab. Integrieren (24.2) und Einsetzen der Integrationsgrenzen für X von 0 bis l und für ich aus ich 0 bis ich, wir bekommen

woher, potenzierend, haben wir

(24.3)

Diese Formel drückt aus Bouguersches Lichtabsorptionsgesetz. Koeffizient k wird als natürlicher Absorptionsindex bezeichnet, sein Wert ist der Kehrwert des Abstands, bei dem die Lichtintensität durch Absorption im Medium in gedämpft wird e einmal.

Da die Lichtabsorption auf der Wechselwirkung mit Molekülen (Atomen) beruht, kann das Absorptionsgesetz mit bestimmten Eigenschaften von Molekülen in Verbindung gebracht werden. Lassen n- Konzentration von Molekülen (Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit), die Lichtquanten absorbieren. Lassen Sie uns mit dem Buchstaben s den effektiven Absorptionsquerschnitt des Moleküls bezeichnen - einen bestimmten Bereich, in den ein Photon eintritt, in das es vom Molekül eingefangen wird. Mit anderen Worten, ein Molekül kann als Ziel eines bestimmten Bereichs dargestellt werden.

Wenn wir davon ausgehen, dass die Querschnittsfläche eines rechteckigen Parallelepipeds (Abb. 24.1) gleich ist S, dann das Volumen der ausgewählten Ebene S d x, und die Anzahl der darin enthaltenen Moleküle nS d x; der gesamte effektive Querschnitt aller Moleküle in dieser Schicht sein wird snS d x. Anteil der Absorptionsquerschnittsfläche aller Moleküle an der Gesamtquerschnittsfläche

(24.4)

Wir können davon ausgehen, dass ebenso wie (24.4) ein Teil der auf die Schicht treffenden Quanten von den Molekülen absorbiert wird, da das Flächenverhältnis die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung eines Quants mit den Molekülen der ausgewählten Schicht bestimmt. Der Anteil der von der Schicht absorbierten Quanten ist gleich der relativen Intensitätsabnahme (d ich/ ich) Sweta. Basierend auf dem oben Gesagten kann man schreiben

(24.5)

woher wir nach Integration und Potenzierung haben

ich = ich 0e- snl . (24.6)

Diese Gleichung enthält ähnlich wie (24.3) den Parameter s, die die Fähigkeit von Molekülen widerspiegelt, monochromatisches Licht der verwendeten Wellenlänge zu absorbieren.

Akzeptiertere molare Konzentrationen C =n/ N A, woher n = CN A. Lassen Sie uns das Produkt transformieren schn = sCN A =   C, wobei   = sN A ist die natürliche molare Absorptionsrate. Seine physikalische Bedeutung ist der gesamte effektive Absorptionsquerschnitt aller Moleküle eines Mols einer Substanz. Wenn sich die Moleküle, die Quanten absorbieren, in einem Lösungsmittel befinden, das kein Licht absorbiert, dann kann (24.6) geschrieben werden als

(24.7)

Diese Formel drückt aus Bouguer-Lambert-Ver-Gesetz . In der Laborpraxis wird dieses Gesetz meist in Form einer Exponentialfunktion zur Basis 10 ausgedrückt:

(24.8)

Das Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz wird zur photometrischen Bestimmung der Konzentration von Farbstoffen verwendet. Messen Sie dazu direkt die Flüsse des einfallenden und durch die Lösung geleiteten monochromatischen Lichts ( KonzentrationFarbmetrik), aber die so ermittelte Durchlässigkeit T(oder Absorption 1 - T, siehe (24.1)) ist unpraktisch, da er aufgrund der probabilistischen Natur des Prozesses nichtlinear mit der Konzentration zusammenhängt [siehe (24.8) und Abb. 24.2, a]. Daher wird es in der quantitativen Analyse normalerweise bestimmt optische Dichte (D) Lösung, die den dezimalen Logarithmus des Kehrwerts der Transmission darstellt,

(24.9)

Reis. 24.2

Die optische Dichte ist praktisch, da sie in linearer Beziehung zur Konzentration des Analyten steht (Abb. 24.2, b).

Das Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz ist nicht immer erfüllt. Sie gilt unter den folgenden Annahmen: 1) es wird monochromatisches Licht verwendet; 2) die Moleküle des gelösten Stoffes in der Lösung sind gleichmäßig verteilt; 3) wenn sich die Konzentration ändert, ändert sich die Art der Wechselwirkung zwischen den gelösten Molekülen nicht (andernfalls ändern sich die photophysikalischen Eigenschaften der Substanz, einschließlich der Werte von s und ); 4) bei der Messung treten keine chemischen Umwandlungen von Molekülen unter Lichteinwirkung auf; 5) die Intensität des einfallenden Lichts sollte ausreichend gering sein (damit die Konzentration nicht angeregter Moleküle während der Messung praktisch nicht abnimmt). Abhängigkeiten s, ,  oder D auf der Wellenlänge des Lichts wird als Absorptionsspektrum einer Substanz bezeichnet.

Absorptionsspektren sind Informationsquellen über den Zustand der Materie und über die Struktur der Energieniveaus von Atomen und Molekülen. Absorptionsspektren werden zur qualitativen Analyse von Lösungen farbiger Substanzen verwendet.

Übernehmen (Absorption )Als Licht bezeichnet man den Energieverlust einer Lichtwelle, die eine Substanz durchdringt.

Licht wird absorbiert, wenn die übertragene Welle Energie für verschiedene Prozesse aufwendet. Darunter: die Umwandlung von Wellenenergie in innere Energie - wenn die Substanz erhitzt wird; Energiekosten für Sekundärstrahlung in einem anderen Frequenzbereich (Photolumineszenz); Energiekosten für die Ionisierung - bei photochemischen Reaktionen usw. Wenn Licht absorbiert wird, klingen die Schwingungen ab und die Amplitude der elektrischen Komponente nimmt mit der Ausbreitung der Welle ab. Für eine ebene Welle, die sich entlang der Achse ausbreitet x, wir haben

Hier E(x) ist der Amplitudenwert der elektrischen Feldstärke der Welle an Punkten mit der Koordinate x; ist die Amplitude am Punkt mit der Koordinate x = 0; t ist die Zeit, die die Welle benötigt, um eine Strecke zurückzulegen x; β ist der Vibrationsdämpfungskoeffizient; Absorptionskoeffizient, abhängig von der chemischen Natur des Mediums und der Wellenlänge des durchgelassenen Lichts.

Die Intensität der Welle ändert sich nach dem Bouguerschen Gesetz (P. Bouguer (1698 - 1758) - französischer Wissenschaftler):

wo ist die Intensität der Welle am Eingang zum Medium.

Bei , . Folglich, Absorptionskoeffizient – physikalische Größe,numerisch gleich dem Kehrwert der Dicke der Stoffschicht, in der die Wellenintensität in e = abnimmt 2,72einmal.

Die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Wellenlänge bestimmt das Absorptionsspektrum des Materials. In einem Stoff (z. B. in einem Gas) können mehrere Arten von Teilchen unter der Einwirkung einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an Schwingungen teilnehmen. Wenn diese Teilchen schwach wechselwirken, dann ist der Absorptionskoeffizient für ein breites Frequenzspektrum klein und steigt nur in schmalen Bereichen stark an (Abb. 10.7, a).

a	b

Diese Bereiche entsprechen den Frequenzen der Eigenschwingungen optischer Elektronen in Atomen verschiedener Typen. Das Absorptionsspektrum solcher Substanzen ist liniert und stellt dunkle Banden auf der schillernden Farbe des Spektrums dar, wenn dies der sichtbare Bereich ist. Mit zunehmendem Gasdruck verbreitern sich die Absorptionsbanden. Im flüssigen Zustand verschmelzen sie und das Absorptionsspektrum nimmt die in Abb. 10.7, b. Grund für die Verbreiterung ist die Verstärkung der Bindung von Atomen (Molekülen) im Medium.

Der Absorptionskoeffizient, der von der Wellenlänge λ (bzw. Frequenz ω) abhängt, ist für verschiedene Substanzen unterschiedlich. Beispielsweise haben einatomige Gase und Metalldämpfe (d. h. Substanzen, in denen sich Atome in beträchtlichen Abständen voneinander befinden und als isoliert betrachtet werden können) einen Absorptionskoeffizienten nahe Null und sind nur für sehr schmale Spektralbereiche (ungefähr m) scharf Maxima (das sogenannte Linienabsorptionsspektrum). Diese Linien entsprechen den Frequenzen der Eigenschwingungen von Elektronen in Atomen. Das Absorptionsspektrum von Molekülen, bestimmt durch Schwingungen von Atomen in Molekülen, ist durch Absorptionsbanden (etwa m) gekennzeichnet.

Der Absorptionskoeffizient für Dielektrika ist klein (ca ), jedoch zeigen sie eine selektive Absorption von Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen, wenn α stark ansteigt und relativ breite Absorptionsbanden (etwa m) beobachtet werden, d.h. Dielektrika haben ein kontinuierliches Absorptionsspektrum. Dies liegt daran, dass es in Dielektrika keine freien Elektronen gibt und die Absorption von Licht auf das Resonanzphänomen bei erzwungenen Schwingungen von Elektronen in Atomen und Atomen in dielektrischen Molekülen zurückzuführen ist.

Der Absorptionskoeffizient für Metalle ist groß (ungefähr ), und daher sind Metalle praktisch lichtundurchlässig. In Metallen entstehen aufgrund des Vorhandenseins freier Elektronen, die sich unter der Wirkung des elektrischen Felds einer Lichtwelle bewegen, schnell Wechselströme, begleitet von der Freisetzung von Joule-Wärme. Daher nimmt die Energie der Lichtwelle schnell ab und verwandelt sich in die innere Energie des Metalls. Je höher die Leitfähigkeit des Metalls ist, desto stärker absorbiert es Licht.

Auf Abb. 10.8 zeigt eine typische Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten α von der Lichtfrequenz ν und die Abhängigkeit des Brechungsindex n auf ν im Bereich der Absorptionsbande. Aus der Abbildung folgt, dass innerhalb der Absorptionsbande ( n nimmt mit steigendem ν ab). Allerdings muss die Absorption der Substanz signifikant sein, um den Verlauf des Brechungsindex zu beeinflussen.

Die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Frequenz(Wellenlänge)erklärt die Färbung absorbierender Körper. Beispielsweise erscheint Glas, das rote und orangefarbene Strahlen schwach absorbiert und grüne und blaue Strahlen stark absorbiert, rot, wenn es mit weißem Licht beleuchtet wird. Wird grünes und blaues Licht auf ein solches Glas gerichtet, erscheint das Glas aufgrund der starken Absorption von Licht dieser Wellenlängen schwarz. Dieses Phänomen wird zur Herstellung von Lichtfiltern genutzt, die je nach chemischer Zusammensetzung (Gläser mit Zusätzen verschiedener Salze; Kunststofffolien mit Farbstoffen; Farbstofflösungen usw.) nur Licht bestimmter Wellenlängen durchlassen und den Rest absorbieren. Die Vielfalt der selektiven (selektiven) Absorptionsgrenzen für verschiedene Substanzen erklärt die Vielfalt und den Reichtum an Farben und Farben, die in der umgebenden Welt beobachtet werden.

Spektralanalyse ermöglicht es Ihnen, Informationen über die Zusammensetzung der Sonne zu erhalten, da ein bestimmter Satz von Spektrallinien ein chemisches Element äußerst genau charakterisiert. Mit Hilfe von Beobachtungen des Spektrums der Sonne wurde Helium entdeckt.

Der sichtbare Teil der Sonnenstrahlung erweist sich, wenn er mit Hilfe von spektralanalysierenden Instrumenten untersucht wird, als inhomogen - es werden im Spektrum beobachtet Absorptionslinien, erstmals 1814 von I. Fraunhofer beschrieben.

Mit Hilfe der Spektralanalyse haben wir gelernt, dass Sterne aus den gleichen Elementen bestehen, die auch auf der Erde vorkommen.

Das Phänomen der Absorption wird häufig bei der Absorptionsspektralanalyse von Gasgemischen auf der Grundlage von Messungen der Frequenzspektren und Intensitäten von Absorptionslinien (Banden) verwendet. Die Struktur von Absorptionsspektren wird durch die Zusammensetzung und Struktur von Molekülen bestimmt, daher ist die Untersuchung von Absorptionsspektren eine der Hauptmethoden zur quantitativen und qualitativen Untersuchung von Substanzen.

Beim Durchgang nach-l. Umwelt durch Wechselwirkung mit ihr, wodurch Lichtenergie in andere Energiearten oder in optische übergeht. Strahlung anderer spektraler Zusammensetzung. Hauptsächlich das Gesetz von P. s., Verknüpfung der Intensität ich ein Lichtstrahl, der eine Schicht eines absorbierenden Mediums mit einer Dicke passiert hat l s Intensität des einfallenden Strahls ich 0 ist das Bouguersche Gesetz genannt Absorptionsindex und ist in der Regel für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich.Dieses Gesetz wurde von P. Bouguer (P. Bouguer, 1729) experimentell aufgestellt und anschließend von I. Lambert (J. H. Lambert, 1760) unter sehr einfachen Annahmen theoretisch abgeleitet Beim Durchgang durch eine beliebige Schicht nimmt die Intensität um einen bestimmten Bruchteil ab, abhängig nur von und der Dicke der Schicht l, d.h. dl/l= Die Lösung dieser Gleichung ist Booger - Lambert - Bera-Recht. Phys. seine Bedeutung liegt in der Tatsache, dass der Prozess des Verlustes von Strahlphotonen im Medium, dadurch gekennzeichnet, nicht von ihnen im Lichtstrahl abhängt, d. h. von der Lichtintensität und von der Dicke der absorbierenden Schicht l. Dies gilt für nicht zu hohe Strahlungsintensitäten (siehe unten).
Die Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts wird als Absorptionsspektrum eines Stoffes bezeichnet. Absorptionsspektrum isoliert. Atome (z. B. verdünnte Gase) hat die Form schmaler Linien, d. H. Sie ist nur in bestimmten engen Wellenlängenbereichen (Hundertstel - Tausendstel nm) von Null verschieden, die ihren eigenen Frequenzen entsprechen. Elektronen in Atomen. Das Absorptionsspektrum von Molekülen, das durch die Schwingungen der darin enthaltenen Atome bestimmt wird, besteht aus viel breiteren Wellenlängenbereichen (den sogenannten Absorptionsbanden, Zehntel - Hunderte von nm; vgl. Molekülspektren) Die Absorption von Festkörpern ist in der Regel durch sehr weite Bereiche (Hunderte und Tausende nm) mit einem großen Wert von ; qualitativ erklärt sich dies dadurch, dass im Kondensator. Medien zwischen Teilchen führt zu einer schnellen Übertragung der Energie, die durch das Licht eines von ihnen abgegeben wird, auf das gesamte Teilchenkollektiv.
Qualitäten. ein Bild der auf atomarer Ebene ablaufenden Wechselwirkungsprozesse von Strahlung mit Materie, die zu P. s. führen, kann im Rahmen der Quasi-Klassik gewonnen werden. sich nähern. Es basiert auf einem Modell, das Atome als eine Reihe von Harmonischen betrachtet. Oszillatoren: Elektronen in Atomen (Molekülen) schwingen um die Gleichgewichtslage. Ein solches Modell ist für verdünnte Gase und Metalldämpfe akzeptabel, bei denen der Einfluss benachbarter Atome vernachlässigt werden kann. Für flüssige und feste Körper ist ein solches Modell ungeeignet, weil das Verhalten der Elektronen das optische bestimmt. Die Eigenschaften eines Atoms ändern sich dramatisch unter der Einwirkung der Felder benachbarter Atome.
Die spontane Emission von Atomen des Schwingungsmodells entspricht freien (gedämpften) Schwingungen von Elektronen. Besitzen die Frequenzen dieser Schwingungen v nm sind durch das 2. Postulat von Bohr gegeben: wobei und die Energieniveaus des Atoms sind, zwischen denen ein Quantenübergang mit der Emission von Licht bei einer Frequenz stattfindet v nm.
Bei der Ausbreitung in einem von außen einfallenden Lichtmedium sind die Schwingungen von Elektronen in Atomen erzwungener Natur und treten mit der Frequenz der einfallenden Lichtwelle auf. Mit diesem Ansatz kann P. s. ist mit dem Verlust von Wellenenergie aufgrund erzwungener Schwingungen von Elektronen verbunden. (Die von einem Atom absorbierte Energie kann wieder abgegeben oder in andere Energiearten umgewandelt werden.) Das auf das Medium einfallende Lichtfeld verursacht Elektronenschwingungen, die durch die Gleichung beschrieben werden

Hier t 0 und e 0 - Masse und Elektron, X- seine Verschiebung aus der Gleichgewichtslage, - der die Dämpfung charakterisierende Koeffizient. Der erste Term in (1) beschreibt die Trägheitskraft, der zweite - die proportionale Bremskraft. Schwinggeschwindigkeit. die Bewegung eines Elektrons und verursacht die Dämpfung seiner Schwingungen (ähnlich der Reibungskraft), der dritte Term ist die elastische Kraft, proportional. Verschiebung eines Elektrons aus der Gleichgewichtslage; die rechte Seite von Gleichung (1) ist die treibende Kraft. Die Lösung dieser Gleichung

bei ungleich Null gibt es eine komplexe Größe, die die Absorption der Wellenenergie durch das Atom angibt. Bei einem komplexen Zusammenhang von Antriebskraft und Ablenkung des Elektrons erweisen sich die integralen Größen als komplex bzw. die integralen Größen als dielektrisch. Permeabilität ( - Leitfähigkeit, - Substanzen, Teil der Dielektrizitätskonstante) und der Brechungsindex Der Imaginärteil der Größe steht in direktem Zusammenhang mit der Eigenschaft der absorbierenden Eigenschaften des Mediums - dem Absorptionsindex: der Hauptindikator für die Absorption. Die Einführung komplexer Größen ermöglichte es, die für transparente Medien entwickelte formale Beschreibung auch auf absorbierende Medien anzuwenden. Seit Lichtabsorption damit verbunden ist eine anomale Dispersion, die innerhalb der Absorptionsbande stattfindet (siehe Abb. Lichtstreuung).
Bei der Betrachtung von P. s. Aus Quantensicht wird eine solche Eigenschaft energetisch eingeführt. Ebenen wie Bevölkerungszahl N n,m- die Anzahl der Atome in einer gegebenen Energie. Bedingung. In diesem Fall kann der Ausdruck für dargestellt werden als

wo ist der Bevölkerungsunterschied P und tN m - (g m /g n)N n(hier g m und gn- Statistik. Bevölkerungsgewichte). Die Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz - genannt. Kontur der Absorptionslinie. Im Klassiker näherungsweise die Breite der Absorptionslinie auf einem Niveau von 0,5 vom Maximum Dies ist die sog. natürlich Linienbreite. In realen Medien gibt es eine Reihe von Gründen, die die Breite der Absorptionslinie manchmal um ein Vielfaches erhöhen. CH. Der Grund für die Verbreiterung der Absorptionslinie in Gasen ist , die durch die zufällige Bewegung von Atomen entsteht (siehe Abb. Linienverbreiterung).
Mit besonderem Bedingungen der Erregung ist möglich, sog. inverse Population, wenn, d.h. wenn die Population der oberen Ebene größer ist als die Population der unteren. Dabei ändern sich, wie aus (2) ersichtlich, das Vorzeichen und der Absorptionsindex – das Medium wird durch den sog. negative Aufnahme. Durch ein solches Medium hindurchtretendes Licht wird nicht abgeschwächt, sondern im Gegenteil verstärkt. Medien, in denen es möglich ist (auf die eine oder andere Weise), eine inverse Population von Ebenen zu erzeugen, werden verwendet, um Laser und Lichtverstärker zu erzeugen.
Da die Absorption eines Photons zur Übertragung eines Atoms von der unteren Ebene auf die obere führt, wirkt sich der Absorptionsprozess auf die Energiepopulation aus. Ebenen. Bei üblicherweise beobachteten Lichtintensitäten ist die Anzahl der absorbierten Photonen viel geringer als die Anzahl der absorbierenden Atome und hängt daher nicht von der Lichtintensität ab. Dementsprechend hängt es nicht davon ab und wenn jedoch die Intensität des auf das Medium einfallenden Lichts ausreichend groß ist, dann kann es in einen angeregten Mittelzustand übergehen. Bruchteil der absorbierenden Atome. Dies wird dazu führen, dass und von der Lichtintensität abhängt - es wird ein sogenanntes geben. nichtlineare Absorption. In diesem Fall verliert das Bouguersche Gesetz seine Gültigkeit. Im Grenzfall, bei einer sehr hohen Intensität des einfallenden Lichts, ist die Population hoch. Und niedriger Ebenen ausgerichtet sind und das Medium aufhört, Licht zu absorbieren – es wird erleuchtet, d.h. Licht durchdringt ein solches Medium, ohne überhaupt absorbiert zu werden (siehe Abb. selbsterzeugte Transparenz).
Bei sehr hoher Lichtintensität ist noch ein weiteres Merkmal von P. s möglich. - Multiphotonen-Absorption, wenn mehrere ( ich) Photonen niedrigerer Frequenzen unter der Bedingung
P.s. verwendet in verschiedenen Bereichen Wissenschaft und Technik. Viele bauen also darauf auf. besonders hochsensible quantitative Methoden. und Qualitäten. Chem. Analyse, insbesondere Absorption Spektralanalyse, Spektrophotometrie, Kolorimetrie. Spektrumtyp P. s. kann mit chem. die Struktur einer Substanz, durch die Form des Absorptionsspektrums kann man die Art der Bewegung von Elektronen in Metallen untersuchen, die Bandstruktur herausfinden und vieles mehr. Andere

Zündete.: Landsberg G.S., Optics, 5. Aufl., M., 1976; Sokolov A. V., Optische Eigenschaften von Metallen, M., 1961; Elyashevich M. A., Atom- und Molekülspektroskopie, M., 1962; Korolev F. A., Theoretische Optik, M., 1966; Born M., Wolf E., Grundlagen der Optik, übers. aus dem Englischen, 2. Aufl., M., 1973.

A. P. Gagarin.

Lichtabsorption.
Licht, das durch jede Substanz geht, wird in gewissem Maße darin absorbiert. Üblicherweise ist die Absorption selektiv, d. h. Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird unterschiedlich absorbiert. Da die Wellenlänge die Farbe des Lichts bestimmt, werden Strahlen unterschiedlicher Farbe im Allgemeinen unterschiedlich in einer bestimmten Substanz absorbiert.
Transparente, ungefärbte Körper sind Körper, die Licht aller Wellenlängen in Bezug auf das Intervall der sichtbaren Strahlen geringfügig absorbieren. So absorbiert Glas in einer Schicht mit einer Dicke von 1cm nur über 1 % sichtbare Strahlen, die durch sie hindurchgehen. Dasselbe Glas absorbiert stark ultraviolette und ferne Infrarotstrahlen.
Farbige transparente Körper sind Körper, die eine Absorptionsselektivität innerhalb der Grenzen sichtbarer Strahlen zeigen.

• Beispielsweise ist „rot“ Glas, das rote und orangefarbene Strahlen schwach absorbiert und grüne, blaue und violette Strahlen stark absorbiert.
• Wenn weißes Licht, das eine Mischung aus Wellen unterschiedlicher Wellenlänge ist, auf ein solches Glas fällt, werden nur längere Wellen durchgelassen, was einen roten Farbeindruck hervorruft, während kürzere Wellen absorbiert werden.
• Wenn dasselbe Glas mit grünem oder blauem Licht beleuchtet wird, erscheint es „schwarz“, weil das Glas diese Strahlen absorbiert.

Aus Sicht der Theorie der elastisch gebundenen Elektronen wird die Lichtabsorption dadurch verursacht, dass eine vorbeilaufende Lichtwelle Elektronen zu erzwungenen Schwingungen anregt. Um die Schwingungen von Elektronen aufrechtzuerhalten, wird Energie verwendet, die dann in die Energie anderer Arten übergeht.
Wenn durch Kollisionen zwischen Atomen die Energie der Elektronenschwingungen in die Energie der zufälligen Molekülbewegung umgewandelt wird, erwärmt sich der Körper.
Die Absorption von Licht kann allgemein aus energetischer Sicht beschrieben werden, ohne auf die Einzelheiten des Mechanismus der Wechselwirkung von Lichtwellen mit Atomen und Molekülen der absorbierenden Substanz einzugehen.
Lassen Sie ein Bündel paralleler Strahlen durch eine homogene Substanz laufen (Abb.).

Isolieren wir in dieser Substanz eine unendlich dünne Schicht von Dicke dl begrenzt durch parallele Flächen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts.
Die Energieflussdichte ändert sich beim Durchgang der Strahlen durch diese Schicht um den Wert −du. Es ist natürlich, diese Reduzierung zu setzen −du proportional zum Wert der Energieflussdichte selbst in einer gegebenen absorbierenden Schicht und ihrer Dicke dl:
−du=kudl. (1)
Koeffizient k bestimmt durch die Eigenschaften des absorbierenden Stoffes, wird er als Absorptionskoeffizient bezeichnet. Koeffizientenkonstanz k zeigt an, dass in jeder Schicht der gleiche Anteil des Flusses, der die Schicht erreicht hat, absorbiert wird.
Um das Gesetz der abnehmenden Energieflussdichte in einer Schicht endlicher Dicke zu erhalten l wir schreiben Ausdruck (1) in der Form um:
du/u=-kdl
und dann darin integrieren 0 Vor l:
0 l ∫(du/u) = −k 0 l ∫dl.
Lassen Sie am Anfang der Ebene ( l = 0) ist die Flussdichte u0. Bezeichne mit u der Wert, den es annimmt, wenn die Strömung durch die Dicke der Substanz fließt l. Als Ergebnis der Integration erhalten wir dann:
lnu − lnu o = −kl oder ln(u/u o) = −kl,
wo
u = u o e − kl, (2)
wo e− Basis natürlicher Logarithmen.
Je größer der Absorptionskoeffizient k desto mehr Licht wird absorbiert. Bei l = 1/k, nach (2):
u = u o /e = u o /2,72;
Somit entsteht eine Schicht, deren Dicke gleich ist 1/k, schwächt die Energieflussdichte in 2,72 mal.
Für verschiedene Substanzen der Zahlenwert des Absorptionskoeffizienten k variiert in einem sehr weiten Bereich. Im sichtbaren Bereich für Luft bei atmosphärischem Druck k ungefähr gleich 10 –5 cm –1 für Glas k = 10 –2 cm –1, und für Metalle k liegt in der Größenordnung von Zehntausenden. Für alle Stoffe der Absorptionskoeffizient k hängt teilweise von der Wellenlänge ab.
Eine getönte Scheibe kann beispielsweise sichtbares Licht absorbieren 0 Vor 100 % . So wird zum Beispiel das Tönen von Fenstern in einer Wohnung oft zu einem sehr einfachen und bequemen Ausweg, wenn die Fenster zur Sonnenseite zeigen – so dringen schädliche UV-Strahlen nicht in großen Mengen in die Wohnung ein. Dadurch bleibt im heißen Sommer eine angenehme Kühle im Raum und Einrichtungsgegenstände verlieren nicht ihre Farbe durch die strahlende Sonne.
Auf Abb. Abhängigkeit dargestellt lgk von der Wellenlänge λ für gasförmiges Chlor bei 0 °С und Atmosphärendruck. Wie man sieht, ist der Koeffizient im violetten Bereich groß, fällt dann im gelbgrünen Bereich steil ab und steigt im roten Bereich wieder an.

Die Erfahrung zeigt, dass, wenn Licht von in einem transparenten Lösungsmittel gelösten Substanzen absorbiert wird, die Absorption proportional zur Anzahl der absorbierenden Moleküle pro Längeneinheit des Weges des Lichtstrahls in der Lösung ist. Da die Anzahl der Moleküle pro Längeneinheit proportional zur Konzentration der Lösung ist AUS, dann der Absorptionskoeffizient k proportional AUS von wo Sie setzen können k = xC, wo X ist ein neuer konstanter Koeffizient, der nicht von der Konzentration der Lösung abhängt, sondern nur durch die Eigenschaften der Moleküle der absorbierenden Substanz bestimmt wird. Ersetzen Sie diesen Wert k in die Absorptionsformel (2) erhalten wir
u = u o e -xCl. (3)
Die Aussage, dass der Koeffizient X nicht von der Konzentration der Lösung abhängt, heißt Gesetz Bier. Dieses Gesetz ist unter der Bedingung erfüllt, dass die Anwesenheit benachbarter Moleküle die Eigenschaften jedes gegebenen Moleküls nicht ändert. Bei erheblichen Konzentrationen der Lösung wirkt sich die gegenseitige Beeinflussung der Moleküle aus, und dann ist das Beersche Gesetz nicht mehr erfüllt. In den Fällen, in denen dies stattfindet, ermöglicht die Beziehung (3) die Bestimmung der Konzentration der Lösung aus dem Grad der Lichtabsorption in der Lösung.
Neben der betrachteten „echten“ Absorption, bei der die Energie von Lichtwellen in Energie anderer Art umgewandelt wird, ist durch seitliche Streuung der Energie eine Abnahme der Energieflussdichte im Strahlenbündel möglich.

Nach dem Grundgesetz der Photochemie, das eine Folge des Energieerhaltungssatzes ist, kann nur das Licht, das von einem gegebenen System absorbiert wird, photochemisch wirken. Das Licht, das von diesem System nicht absorbiert wird, verursacht keine photochemischen Reaktionen. Um die Energie eines photobiologischen Prozesses zu berücksichtigen, ist es daher notwendig, das Absorptionsvermögen des Systems zu kennen. Dabei sind vor allem zwei Faktoren von Bedeutung:

1. die Gesamtmenge der absorbierten Energie oder die Anzahl der pro Zeiteinheit absorbierten Quanten (der erste Faktor). Dieser Indikator wird normalerweise anhand der optischen Dichte des Objekts geschätzt;
2. der Wert des absorbierten Quants (zweiter Faktor)

Der erste Faktor bestimmt die mögliche Anzahl von Reaktionen, die pro Zeiteinheit ablaufen, also die Geschwindigkeit des Prozesses. Der zweite Faktor bestimmt die Energie der Photoreaktion selbst, also welche Reaktion möglich ist.

Der Strom von Lichtquanten, die ein System mit Molekülen einer Substanz passieren, wird abgeschwächt. Die Schwächung des Quantenflusses entsteht dadurch, dass einige der Quanten von Molekülen absorbiert (eingefangen) werden.

Sei I die Intensität des Lichtflusses, d. h. die Anzahl der Quanten, die pro Zeiteinheit eine gegebene Probe passieren. Die Abschwächung der Lichtintensität dI hängt von der Anzahl der Kollisionen von Quanten mit den Molekülen der Substanz ab. Offensichtlich ist die Anzahl dieser Stöße proportional zur Anzahl der Moleküle im Weg des Lichtstroms, d. h. proportional zur Konzentration C der Substanz. Andererseits muss sie aber auch proportional zur Anzahl der Quanten selbst sein, die pro Zeiteinheit das System passieren, also der Intensität des Lichtstroms I. Nimmt man einen ausreichend kleinen Abstand dl, bei dem Absorption auftritt, dann ist die Dämpfung der Flussstärke dI proportional zu diesem Abstand. Die festgestellten Abhängigkeiten lassen sich durch die Gleichung ausdrücken: DI=k · ich · C · dl, (3) wobei k der Proportionalitätskoeffizient ist; Minuszeichen davor di zeigt an, dass der Lichtstrom abnimmt. Gleichung (3) ist eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung. Schreiben wir es in folgender Form: DI/I=k · C · dl Wenn wir die linke und die rechte Seite integrieren, erhalten wir: LnI = k · C · l=B, wobei l die Probendicke (optische Weglänge) ist; B ist die zu bestimmende Integrationskonstante. Sei l \u003d 0, dann B \u003d -lnI o, wobei I o die Intensität der in die Substanz eintretenden Strömung ist. Setzen wir den Wert von B in die vorherige Gleichung ein, erhalten wir: lnI o - lnI = k · C · Ich, oder lnI o / Ich = k · C · l(4) Ich \u003d Ich über e - kCl, (5) wobei e die Basis der natürlichen Logarithmen ist. Die Gleichungen (4) und (5) sind ein Ausdruck des Lambert-Beer-Gesetzes: die Intensität des durch die Substanz hindurchtretenden Lichtstroms nimmt in Abhängigkeit von der Länge des optischen Wegs und der Konzentration der Substanz in der Probe exponentiell ab. In Gleichung (4) ersetzen wir den natürlichen Logarithmus durch einen dezimalen und bezeichnen den neuen Proportionalitätskoeffizienten mit ε. Dann lg ich o / ich = ε · C · l(6) Der dezimale Logarithmus des Verhältnisses der Intensität des einfallenden Lichts zur Intensität des die Probe verlassenden Lichts wird als optische Dichte bezeichnet. Wenn wir es mit D bezeichnen, erhalten wir: lg ich o / ich = D = ε · C · l(7) Das Lambert-Beer-Gesetz kann in diesem Fall wie folgt formuliert werden: Die optische Dichte der Probe ist direkt proportional zur Konzentration der Substanz in der Probe und der Länge des Lichtwegs. In Gleichung (7) wird ε als molarer Absorptionskoeffizient bezeichnet. Ist l=1 und C=1, so ist ε=D, also die optische Dichte einer Probe mit einer Dicke von einer Einheit (1 cm) bei einer Stoffkonzentration von 1 mol/l. Die optische Dichte zeigt das Absorptionsvermögen eines Stoffes. Je größer die Absorption, desto größer das Verhältnis Io/I, d. h. desto größer die optische Dichte.

Ein Stoff absorbiert Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich. Die Abhängigkeitskurve der optischen Dichte eines Stoffes von der Wellenlänge des absorbierten Lichts wird als Absorptionsspektrum bezeichnet.

Normalerweise sind die Absorptionsspektren von Molekülen kontinuierlich, aber sie zeigen Maxima bei der Wellenlänge des Lichts, wo die maximale Absorption von Lichtquanten stattfindet. In Abb.1. Die Absorptionsspektren einiger biologisch wichtiger Verbindungen, die Licht im sichtbaren und ultravioletten Bereich des Sonnenspektrums absorbieren, sind angegeben. Proteine ​​​​haben ein Absorptionsmaximum bei einer Wellenlänge von 280 nm, Nukleinsäuren - im Bereich von 260 nm, Rhodopsin - 500 nm, Chlorophyll a hat zwei Absorptionsmaxima: 430 und 680 nm.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, haben die Absorptionsspektren manchmal eine ziemlich komplexe Form, die für eine gegebene Substanz charakteristisch ist und von der Struktur und den Eigenschaften der Moleküle einer gegebenen Substanz abhängt.

Die Untersuchung der Absorptionsspektren eines beliebigen photobiologischen Prozesses ermöglicht es herauszufinden, welche Substanz für die Absorption von Licht in diesem Prozess verantwortlich ist. Dies wird erreicht, indem die Spektren des untersuchten Prozesses und die Spektren bekannter Substanzen verglichen werden. Außerdem kann aus der Lage der Maxima auf der Wellenlängenskala die Wellenlänge des von dieser Substanz überwiegend absorbierten Lichts bestimmt werden.

Die Kenntnis der Wellenlänge des absorbierten Lichts ermöglicht es, die Energie der absorbierten Quanten zu bestimmen. Und anhand der Größe der Energie der absorbierten Quanten kann man die Position der elektronischen und Schwingungsenergieniveaus des Moleküls sowie die Übergänge von Molekülen von einem Energiezustand in einen anderen berechnen.

Neben all diesen Informationen gibt der optische Dichtewert Auskunft über die Konzentration einer Substanz in der Messprobe. Aus der Größe der Absorptionsmaxima kann nach Gleichung (7) auf die Konzentration des Stoffes im Untersuchungsobjekt geschlossen werden.

Die Methode zur Untersuchung photobiologischer Prozesse anhand von Absorptionsspektren wird als Absorptionsspektrophotometrie bezeichnet. Absorptionsspektren werden mit speziellen Instrumenten - Spektrophotometern - erhalten. Auf Abb. 2 zeigt ein Diagramm des Aufbaus des Spektrophotometers.

Licht von einer Lichtquelle L tritt in den Monochromator ein M, die Strahlung einer genau definierten Wellenlänge liefert. Licht tritt aus dem Monochromator in die Küvette ein Zu mit einer Lösung der Testsubstanz.

Von der Küvette aus wird der gedämpfte Quantenfluss zu geleitet PMT- ein Photomultiplier, der die Energie von Quanten in elektrische Energie umwandelt und verstärkt. In einigen Fällen kann anstelle eines PMT eine gewöhnliche Fotozelle mit Verstärker verwendet werden.

Vom PMT wird der elektrische Strom dem Aufzeichnungsgerät zugeführt G, kalibriert in Einheiten der optischen Dichte. Es kann ein Galvanometer oder ein Rekorder sein.

Durch Drehen des Griffs des Monochromators wird Licht verschiedener Wellenlängen zum Objekt geschickt und Messwerte vom Aufzeichnungsgerät entnommen.

In modernen Spektralphotometern wird das Spektrum des Monochromators automatisch eingesetzt und die Messwerte werden auch automatisch auf einem sich bewegenden Tonbandgerät aufgezeichnet. In diesem Fall wird die Küvette mit der Lösung in die Kammer gestellt, das Gerät eingeschaltet und eine fertige Kurve erhalten - das Absorptionsspektrum.

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