Intensitatea luminii care se propagă într-un mediu poate scădea datorită absorbției și împrăștierii acesteia de către moleculele (atomii) substanței.

Prin absorbția luminii numită slăbirea intensității luminii la trecerea prin orice substanță datorită conversiei energiei luminoase în alte forme de energie.

P

Orez. 24.1

absorbția unui cuantum de lumină are loc în timpul coliziunii sale inelastice cu o moleculă (atom), ceea ce duce la transferul energiei fotonice în materie și este un eveniment aleatoriu. Probabilitatea de absorbție a unui cuantum de lumină de către o probă dintr-o substanță cu o grosime l(Fig. 24.1) se estimează prin valoarea coeficientului de absorbție 1  T, egală cu raportul intensităților luminii absorbite eu n = eu 0  eu la intensitatea incidentului eu 0

(24.1)

Unde eu este intensitatea luminii transmise,
- coeficient de transmisie.

Să derivăm legea absorbției luminii de către materie. Selectați un strat subțire de materie d X, perpendicular pe un fascicul de lumină monocromatică cu intensitate i (eu 0  i  eu), și vom pleca de la presupunerea că atenuarea luminii (fracțiunea cuantelor absorbite) -d i/i un astfel de strat nu depinde de intensitate (dacă intensitatea nu este prea mare), ci este determinat doar de grosimea stratului d Xși factorul de proporționalitate k  :

D i/i = k d X. (24.2)

Coeficient k este diferită pentru diferite lungimi de undă și valoarea sa depinde de natura substanței. Integrarea (24.2) și înlocuirea limitelor integrării pentru X de la 0 la l si pentru i din eu 0 la eu, primim

de unde, potentand, avem

(24.3)

Această formulă exprimă Legea lui Bouguer a absorbției luminii. Coeficient k se numește indice natural de absorbție, valoarea acestuia este inversul distanței la care intensitatea luminii este atenuată ca urmare a absorbției în mediu în e o singura data.

Deoarece absorbția luminii se datorează interacțiunii cu molecule (atomi), legea absorbției poate fi asociată cu anumite caracteristici ale moleculelor. Lasa n- concentrația de molecule (numărul de molecule pe unitatea de volum) care absorb cuante de lumină. Să notăm cu litera s secțiunea transversală de absorbție efectivă a moleculei - o anumită zonă, când intră un foton în care este captat de moleculă. Cu alte cuvinte, o moleculă poate fi reprezentată ca țintă a unei anumite zone.

Dacă presupunem că aria secțiunii transversale a unui paralelipiped dreptunghiular (Fig. 24.1) este egală cu S, apoi volumul stratului selectat S d Xși numărul de molecule din acesta nS d X; secțiunea transversală efectivă totală a tuturor moleculelor din acest strat va fi snS d X. Fracțiunea din aria secțiunii transversale de absorbție a tuturor moleculelor din aria secțiunii transversale totale

(24.4)

Putem presupune că, la fel ca (24.4), o parte a cuantelor care lovesc stratul este absorbită de molecule, deoarece raportul ariei determină probabilitatea de interacțiune a unei cuante cu moleculele stratului selectat. Fracția de quanta absorbită de strat este egală cu scăderea relativă a intensității (d i/ i) Sveta. Pe baza celor de mai sus, se poate scrie

(24.5)

de unde, după integrare și potențare, avem

eu = eu 0e- snl . (24.6)

Această ecuație, similară cu (24.3), include parametrul s, care reflectă capacitatea moleculelor de a absorbi lumina monocromatică a lungimii de undă utilizată.

Concentrații molare mai acceptate C =n/ N A , de unde n = CN A. Să transformăm produsul sn = sCN A =   C, unde   = sN A este rata de absorbție molară naturală. Semnificația sa fizică este secțiunea transversală totală de absorbție efectivă a tuturor moleculelor unui mol de substanță. Dacă moleculele care absorb cuante se află într-un solvent care nu absoarbe lumina, atunci (24.6) poate fi scrisă ca

(24.7)

Această formulă exprimă Legea Bouguer-Lambert-Ver . În practica de laborator, această lege este de obicei exprimată în termeni de funcție exponențială cu baza 10:

(24.8)

Pentru determinarea fotometrică a concentrației substanțelor colorate se utilizează legea Bouguer-Lambert-Beer. Pentru a face acest lucru, măsurați direct fluxurile incidente și trecute prin soluția de lumină monocromatică ( concentraţiecolorimetrie), dar transmitanța astfel determinată T(sau absorbția 1 - T, vezi (24.1)) este incomod, deoarece datorită naturii probabilistice a procesului este legat de concentrație în mod neliniar [vezi (24.8) și fig. 24.2, A]. Prin urmare, în analiza cantitativă, este de obicei determinată densitate optica (D) soluție reprezentând logaritmul zecimal al reciprocei transmitanței,

(24.9)

Orez. 24.2

Densitatea optică este convenabilă prin faptul că este legată liniar de concentrația analitului (Fig. 24.2, b).

Legea Bouguer-Lambert-Beer nu este întotdeauna îndeplinită. Este valabil în următoarele ipoteze: 1) se utilizează lumină monocromatică; 2) moleculele substanței dizolvate din soluție sunt distribuite uniform; 3) când se modifică concentrația, natura interacțiunii dintre moleculele dizolvate nu se schimbă (în caz contrar, proprietățile fotofizice ale substanței, inclusiv valorile lui s și , se vor schimba); 4) în procesul de măsurare nu au loc transformări chimice ale moleculelor sub acțiunea luminii; 5) intensitatea luminii incidente trebuie să fie suficient de scăzută (astfel încât concentrația de molecule neexcitate să nu scadă practic în timpul măsurării). Dependențe s, ,  sau D pe lungimea de undă a luminii se numește spectre de absorbție ale unei substanțe.

Spectrele de absorbție sunt surse de informații despre starea materiei și despre structura nivelurilor de energie ale atomilor și moleculelor. Spectrele de absorbție sunt utilizate pentru analiza calitativă a soluțiilor de substanțe colorate.

Preia (absorbţie )lumina se numește pierderea de energie de către o undă luminoasă care trece printr-o substanță.

Lumina este absorbită atunci când unda transmisă cheltuiește energie în diferite procese. Printre acestea: transformarea energiei valurilor în energie internă – când substanța este încălzită; costurile energetice pentru radiația secundară într-un interval de frecvență diferit (fotoluminiscență); costurile energetice pentru ionizare – în reacții fotochimice etc. Când lumina este absorbită, oscilațiile se sting și amplitudinea componentei electrice scade pe măsură ce unda se propagă. Pentru o undă plană care se propagă de-a lungul axei X, noi avem

Aici E(X) este valoarea amplitudinii intensității câmpului electric al undei în punctele cu coordonatele X; este amplitudinea în punctul cu coordonatele X = 0; t este timpul necesar valului pentru a parcurge o distanță egală cu X; β este coeficientul de amortizare a vibrațiilor; coeficient de absorbție, în funcție de natura chimică a mediului și de lungimea de undă a luminii transmise.

Intensitatea valului se va schimba conform legii lui Bouguer (P. Bouguer (1698 - 1758) - om de știință francez):

unde este intensitatea undei la intrarea în mediu.

La , . Prin urmare, coeficient de absorbție – cantitate fizica,egal numeric cu valoarea reciprocă a grosimii stratului de substanță, în care intensitatea undei scade în e = 2,72o singura data.

Dependența coeficientului de absorbție de lungimea de undă determină spectrul de absorbție al materialului. Într-o substanță (de exemplu, într-un gaz) pot exista mai multe tipuri de particule care participă la oscilații sub acțiunea unei unde electromagnetice care se propagă. Dacă aceste particule interacționează slab, atunci coeficientul de absorbție este mic pentru un spectru larg de frecvență și numai în regiuni înguste crește brusc (Fig. 10.7, A).

A	b

Aceste regiuni corespund frecvențelor vibrațiilor naturale ale electronilor optici din atomi de diferite tipuri. Spectrul de absorbție al unor astfel de substanțe este căptușit și reprezintă benzi întunecate pe culoarea irizată a spectrului, dacă aceasta este regiunea vizibilă. Pe măsură ce presiunea gazului crește, benzile de absorbție se lărgesc. În stare lichidă, ele fuzionează, iar spectrul de absorbție ia forma prezentată în Fig. 10.7, b. Motivul lărgirii este întărirea legăturii atomilor (moleculelor) din mediu.

Coeficientul de absorbție, care depinde de lungimea de undă λ (sau frecvența ω), este diferit pentru diferite substanțe. De exemplu, gazele monoatomice și vaporii metalici (adică substanțele în care atomii sunt localizați la distanțe considerabile unul de celălalt și pot fi considerați izolați) au un coeficient de absorbție apropiat de zero și numai pentru regiunile spectrale foarte înguste (aproximativ m) sunt ascuțite. maxima (așa-numitul spectru de absorbție a liniilor). Aceste linii corespund frecvențelor oscilațiilor naturale ale electronilor din atomi. Spectrul de absorbție al moleculelor, determinat de vibrațiile atomilor din molecule, se caracterizează prin benzi de absorbție (aproximativ m).

Coeficientul de absorbție pentru dielectrici este mic (aproximativ ), cu toate acestea, ele prezintă o absorbție selectivă a luminii în anumite intervale de lungimi de undă, când α crește brusc și se observă benzi de absorbție relativ largi (aproximativ m), adică. dielectricii au un spectru de absorbție continuu. Acest lucru se datorează faptului că nu există electroni liberi în dielectrici, iar absorbția luminii se datorează fenomenului de rezonanță în timpul vibrațiilor forțate ale electronilor din atomi și ale atomilor din moleculele dielectrice.

Coeficientul de absorbție pentru metale este mare (aproximativ ) și, prin urmare, metalele sunt practic opace la lumină. În metale, datorită prezenței electronilor liberi care se mișcă sub acțiunea câmpului electric al unei unde luminoase, apar curenți alternativi rapid, însoțiți de eliberarea de căldură Joule. Prin urmare, energia undei luminoase scade rapid, transformându-se în energia internă a metalului. Cu cât conductivitatea metalului este mai mare, cu atât absorbția luminii din acesta este mai puternică.

Pe fig. 10.8 arată o dependență tipică a coeficientului de absorbție α de frecvența luminii ν și dependența indicelui de refracție n pe ν în regiunea benzii de absorbție. Din figură rezultă că se observă o dispersie anormală în interiorul benzii de absorbție ( n scade odata cu cresterea ν). Cu toate acestea, absorbția substanței trebuie să fie semnificativă pentru a afecta cursul indicelui de refracție.

Dependența coeficientului de absorbție de frecvență(lungime de undă)explică colorarea corpurilor absorbante. De exemplu, sticla care absoarbe slab razele roșii și portocalii și absoarbe puternic razele verzi și albastre va apărea roșie atunci când este iluminată cu lumină albă. Dacă lumina verde și albastră este îndreptată către o astfel de sticlă, atunci din cauza absorbției puternice a luminii acestor lungimi de undă, sticla va apărea neagră. Acest fenomen este utilizat pentru fabricarea filtrelor de lumină, care, în funcție de compoziția chimică (pahare cu aditivi de diverse săruri; folii de plastic care conțin coloranți; soluții de coloranți etc.), transmit lumină doar de anumite lungimi de undă, absorbind restul. Varietatea limitelor de absorbție selectivă (selectivă) pentru diferite substanțe explică diversitatea și bogăția culorilor și culorilor observate în lumea înconjurătoare.

Analiza spectrală vă permite să obțineți informații despre compoziția Soarelui, deoarece un anumit set de linii spectrale caracterizează un element chimic extrem de precis. Deci, cu ajutorul observațiilor spectrului Soarelui, a fost descoperit heliul.

Partea vizibilă a radiației solare, atunci când este studiată cu ajutorul instrumentelor de analiză a spectrului, se dovedește a fi neomogenă - se observă în spectru linii de absorbție, descris pentru prima dată în 1814 de I. Fraunhofer.

Cu ajutorul analizei spectrale, am aflat că stelele sunt compuse din aceleași elemente care se găsesc pe Pământ.

Fenomenul de absorbție este utilizat pe scară largă în analiza spectrală de absorbție a unui amestec de gaze, pe baza măsurătorilor spectrelor de frecvențe și intensități ale liniilor (benzilor) de absorbție. Structura spectrelor de absorbție este determinată de compoziția și structura moleculelor; prin urmare, studiul spectrelor de absorbție este una dintre principalele metode pentru studiul cantitativ și calitativ al substanțelor.

La trecerea prin to-l. mediu datorită interacțiunii cu acesta, în urma căreia energia luminoasă trece în alte tipuri de energie sau în optică. radiații de altă compoziție spectrală. Principal legea lui P. s., care leagă intensitatea eu un fascicul de lumină care a trecut printr-un strat de mediu absorbant cu o grosime l s intensitatea fasciculului incident eu 0 , este legea lui Bouguer numit indicele de absorbție și, de regulă, este diferit pentru lungimi de undă diferite.Această lege a fost stabilită experimental de P. Bouguer (P. Bouguer, 1729) și ulterior derivată teoretic de I. Lambert (J. H. Lambert, 1760) sub presupuneri foarte simple că la trecerea prin orice strat de materie, intensitatea scade cu o anumita fractiune, in functie doar de si grosimea stratului. l, adică dI/l= Soluția acestei ecuații este Booger - Lambert - Legea Bera. Fiz. semnificația sa constă în faptul că procesul de pierdere a fotonilor fasciculului în mediu, caracterizat, nu depinde de aceștia în fascicul de lumină, adică de intensitatea luminii, și de grosimea stratului absorbant. l. Acest lucru este valabil pentru intensitățile radiațiilor nu prea mari (vezi mai jos).
Dependența de lungimea de undă a luminii se numește spectrul de absorbție al unei substanțe. Spectrul de absorbție izolat. atomii (de exemplu, gazele rarefiate) are forma unor linii înguste, adică este diferit de zero numai în anumite intervale de lungimi de undă înguste (sutimi - miimi de nm), corespunzătoare frecvențelor proprii. electroni în interiorul atomilor. Spectrul de absorbție al moleculelor, determinat de vibrațiile atomilor din ele, constă din regiuni cu lungimi de undă mult mai largi (așa-numitele benzi de absorbție, zecimi - sute de nm; vezi. Spectre moleculare).Absorbţia solidelor se caracterizează, de regulă, prin regiuni foarte largi (sute şi mii de nm) cu o valoare mare de ; calitativ, acest lucru se explică prin faptul că în condensator. mediu între particule duce la un transfer rapid către întregul colectiv de particule a energiei emanate de lumina uneia dintre ele.
Calitati. se poate obţine o imagine a proceselor de interacţiune a radiaţiilor cu materia care au loc la nivel atomic şi conduc la P. s. în cadrul cvasiclasicului. abordare. Se bazează pe un model care consideră atomii ca un set de armonici. oscilatoare: electronii din atomi (molecule) oscilează în jurul poziției de echilibru. Un astfel de model este acceptabil pentru gazele rarefiate și vaporii de metal, unde influența atomilor vecini poate fi ignorată. Pentru corpurile lichide și solide, un astfel de model este nepotrivit, din cauza comportamentului electronilor care determină optica. proprietățile unui atom se modifică dramatic sub acțiunea câmpurilor atomilor vecini.
Emisia spontană a atomilor modelului oscilator corespunde oscilațiilor libere (amortizate) ale electronilor. propriu frecvențele acestor oscilații v nm sunt date de al 2-lea postulat al lui Bohr: unde și sunt nivelurile de energie ale atomului, între care are loc o tranziție cuantică cu emisie de lumină la o frecvență v nm.
În timpul propagării într-un mediu de lumină care cade pe acesta din exterior, oscilațiile electronilor din atomi sunt de natură forțată și au loc la frecvența undei luminoase incidente. Cu această abordare, P. s. este asociată cu pierderea energiei valurilor din cauza oscilațiilor forțate ale electronilor. (Energia absorbită de un atom poate fi reemisă sau convertită în alte tipuri de energie.) Câmpul luminos incident pe mediu provoacă oscilații electronice descrise de ecuație

Aici t 0 și e 0 - masă și electroni, X- deplasarea acestuia din pozitia de echilibru, - coeficientul care caracterizeaza atenuarea. Primul termen din (1) descrie forța de inerție, al doilea - forța de frânare, proporțională. viteza oscilante. mișcarea unui electron și determinând amortizarea oscilațiilor acestuia (asemănător cu forța de frecare), al treilea termen este forța elastică, proporțională. deplasarea unui electron din poziția de echilibru; partea dreaptă a ecuației (1) este forța motrice. Soluția acestei ecuații

la diferit de zero, există o mărime complexă, care indică absorbția energiei undei de către atom. Cu o conexiune complexă a forței motrice și a deflexiei electronului, mărimile integrale se dovedesc a fi complexe, respectiv, mărimile integrale: dielectric. permeabilitatea ( - conductivitatea, - substanțele, parte din constanta dielectrică) și indicele de refracție Partea imaginară a valorii este direct legată de caracteristica proprietăților de absorbție a mediului - indicele de absorbție: principalul indicator al absorbției. Introducerea unor cantități complexe a făcut posibilă aplicarea descrierii formale dezvoltate pentru mediile transparente și la mediile absorbante. De cand absorbția luminii este asociată dispersia anormală, care are loc în interiorul benzii de absorbție (vezi Fig. Dispersia luminii).
Când luăm în considerare P. s. din punct de vedere cuantic o asemenea caracteristică este introdusă energetic. niveluri ca nivelul populației N n,m- numărul de atomi dintr-o energie dată. condiție. În acest caz, expresia pentru poate fi reprezentată ca

unde este diferența de nivel a populației Pși tN m - (g m /g n)N n(Aici g mși gn- statistic. ponderi ale populației la nivel). Dependența de diferența de frecvență - numită. conturul liniei de absorbție. În clasic aproximativ, lățimea liniei de absorbție la un nivel de 0,5 față de maxim Acesta este așa-numitul. natural lățimea liniei. În mediile reale, există o serie de motive care măresc lățimea liniei de absorbție, uneori de multe ori. Ch. Motivul lărgirii liniei de absorbție în gaze este , care apare din cauza mișcării aleatorii a atomilor (vezi Fig. lărgirea liniei).
Cu special condițiile de excitație sunt posibile așa-numitele. populație inversă, atunci când, adică atunci când populația nivelului superior este mai mare decât populația celui inferior. În acest caz, după cum se poate observa din (2), semnul și indicele de absorbție se modifică - mediul este caracterizat de așa-numitul. asimilare negativă. Lumina care trece printr-un astfel de mediu nu este slăbită, ci, dimpotrivă, este sporită. Mediile în care este posibil să se creeze (într-un fel sau altul) o populație inversă de niveluri sunt folosite pentru a crea lasere și amplificatoare de lumină.
Deoarece absorbția unui foton duce la transferul unui atom de la nivelul inferior în cel superior, procesul de absorbție afectează populația energetică. niveluri. La intensitățile luminii observate în mod obișnuit, numărul de fotoni absorbiți este mult mai mic decât numărul de atomi absorbanți și, prin urmare, nu depinde de intensitatea luminii. În consecință, nu depinde de el și Cu toate acestea, dacă intensitatea luminii incidente pe mediu este suficient de mare, atunci poate intra într-o stare excitată înseamnă. fracțiunea de atomi absorbanți. Acest lucru va duce la faptul că și va depinde de intensitatea luminii - va exista un așa-numit. absorbție neliniară. În acest caz, legea lui Bouguer își încetează valabilitatea. În limită, la o intensitate foarte mare a luminii incidente, populația este în creștere. și mai jos nivelurile sunt aliniate și mediul încetează să absoarbă lumina - devine iluminat, adică lumina trece printr-un astfel de mediu fără a experimenta deloc absorbția (vezi Fig. transparență autoindusă).
La o intensitate foarte mare a luminii, este posibilă și o altă caracteristică a P. s. - absorbtie multifotonica, când mai multe ( i) fotoni de frecvențe inferioare în condiție
P. s. folosit în diverse domenii ale științei și tehnologiei. Deci, multe se bazează pe el. în special metode cantitative foarte sensibile. si calitati. chimic. analiză, în special absorbția analiză spectrală, spectrofotometrie, colorimetrie. Spectrul de tip P. s. poate fi asociat cu chimia. structura unei substanțe, prin forma spectrului de absorbție, se poate investiga natura mișcării electronilor în metale, se poate afla structura benzii și multe altele. alții

Lit.: Landsberg G. S., Optics, ed. a 5-a, M., 1976; Sokolov A. V., Proprietățile optice ale metalelor, M., 1961; Elyashevich M. A., Spectroscopie atomică și moleculară, M., 1962; Korolev F. A., Optica teoretică, M., 1966; Born M., Wolf E., Fundamentele opticii, trad. din engleză, ed. a II-a, M., 1973.

A. P. Gagarin.

absorbția luminii.
Lumina, care trece prin orice substanță, este absorbită în ea într-o oarecare măsură. De obicei, absorbția este selectivă, adică lumina de diferite lungimi de undă este absorbită diferit. Deoarece lungimea de undă determină culoarea luminii, prin urmare, razele de culori diferite, vorbind în general, sunt absorbite diferit într-o substanță dată.
Corpurile transparente necolorate sunt corpuri care dau o absorbție mică de lumină de toate lungimile de undă legate de intervalul razelor vizibile. Astfel, sticla se absoarbe intr-un strat cu o grosime de 1 cm doar despre 1 % razele vizibile care trec prin el. Aceeași sticlă absoarbe puternic razele ultraviolete și infraroșii îndepărtate.
Corpurile transparente colorate sunt corpuri care prezintă selectivitate de absorbție în limitele razelor vizibile.

• De exemplu, „roșu” este sticla care absoarbe slab razele roșii și portocalii și absoarbe puternic verde, albastru și violet.
• Dacă lumina albă, care este un amestec de unde de diferite lungimi de undă, cade pe o astfel de sticlă, atunci numai unde mai lungi vor trece prin ea, provocând o senzație de culoare roșie, în timp ce undele mai scurte vor fi absorbite.
• Când aceeași sticlă este iluminată cu lumină verde sau albastră, va apărea „neagră”, deoarece sticla absoarbe aceste raze.

Din punctul de vedere al teoriei electronilor legați elastic, absorbția luminii este cauzată de faptul că o undă luminoasă trecătoare excită oscilații forțate ale electronilor. Pentru a menține oscilațiile electronilor se folosește energia, care trece apoi în energia altor tipuri.
Dacă, ca urmare a ciocnirilor dintre atomi, energia oscilațiilor electronice este transformată în energia mișcării moleculare aleatoare, atunci corpul se încălzește.
Absorbția luminii poate fi descrisă în termeni generali din punct de vedere energetic, fără a intra în detaliile mecanismului de interacțiune a undelor luminoase cu atomii și moleculele substanței absorbante.
Lasă un fascicul de raze paralele să se propagă printr-o substanță omogenă (Fig.).

Să izolăm în această substanță un strat infinit de subțire de grosime dl delimitate de suprafeţe paralele perpendiculare pe direcţia de propagare a luminii.
Densitatea fluxului de energie și se va modifica cu trecerea razelor prin acest strat cu valoarea −du. Este firesc să punem această reducere −du proporțional cu valoarea densității fluxului de energie în sine într-un strat absorbant dat și cu grosimea acestuia dl:
−du=kudl. (1)
Coeficient k determinat de proprietățile substanței absorbante, se numește coeficient de absorbție. Constanța coeficientului k indică faptul că în fiecare strat este absorbită aceeași proporție din fluxul care a ajuns în strat.
Pentru a obține legea scăderii densității fluxului de energie într-un strat de grosime finită l rescriem expresia (1) sub forma:
du/u=-kdl
și apoi să-l integreze în interior 0 inainte de l:
0 l ∫(du/u) = −k 0 l ∫dl.
Lăsați la începutul stratului ( l = 0) densitatea fluxului este u0. Notează prin u valoarea pe care o capata atunci cand curgerea trece prin grosimea substantei l. Apoi, ca rezultat al integrării, obținem:
lnu − lnu o = −kl sau ln(u/u o) = −kl,
Unde
u = u o e −kl, (2)
Unde e− baza logaritmilor naturali.
Cu cât coeficientul de absorbție este mai mare k cu atât este absorbită mai multă lumină. La l = 1/k, conform (2):
u = u o /e = u o /2,72;
Astfel, un strat a cărui grosime este egală cu 1/k, slăbește densitatea fluxului de energie în 2,72 ori.
Pentru diferite substanțe, valoarea numerică a coeficientului de absorbție k variază într-o gamă foarte largă. În regiunea vizibilă pentru aer la presiunea atmosferică k aproximativ egal cu 10 −5 cm −1 pentru sticla k = 10 −2 cm −1, și pentru metale k este de ordinul zecilor de mii. Pentru toate substanțele, coeficientul de absorbție k depinde într-o oarecare măsură de lungimea de undă.
O fereastră colorată poate absorbi, de exemplu, lumina vizibilă din 0 inainte de 100 % . De exemplu, nuantarea ferestrelor dintr-un apartament devine adesea o ieșire foarte simplă și convenabilă dacă ferestrele sunt orientate spre partea însorită - astfel, razele ultraviolete dăunătoare în cantități mari nu pătrund în apartament. Drept urmare, în vara fierbinte, o răcoare plăcută rămâne în cameră, iar obiectele de interior nu își pierd culoarea din cauza soarelui strălucitor.
Pe fig. este prezentată dependența lgk de la lungimea de undă λ pentru clor gazos la 0 °Сși presiunea atmosferică. După cum puteți vedea, coeficientul este mare în regiunea violet, apoi scade abrupt în regiunea galben-verde și crește din nou în regiunea roșie.

Experiența arată că atunci când lumina este absorbită de substanțe dizolvate într-un solvent transparent, absorbția este proporțională cu numărul de molecule absorbante pe unitatea de lungime a traseului fasciculului de lumină în soluție. Deoarece numărul de molecule pe unitatea de lungime este proporțional cu concentrația soluției Cu, apoi coeficientul de absorbție k proporţional Cu de unde poti pune k = xC, Unde X este un nou coeficient constant care nu depinde de concentrația soluției, ci este determinat doar de proprietățile moleculelor substanței absorbante. Înlocuind această valoare kîn formula de absorbție (2), obținem
u = u o e -xCl. (3)
Afirmația că coeficientul X nu depinde de concentrația soluției, se numește lege bere. Această lege este îndeplinită cu condiția ca prezența moleculelor învecinate să nu modifice proprietățile fiecărei molecule date. La concentrații semnificative ale soluției, influența reciprocă a moleculelor afectează, iar apoi legea lui Beer încetează să fie îndeplinită. În acele cazuri în care are loc, relația (3) face posibilă determinarea concentrației soluției din gradul de absorbție a luminii în soluție.
Pe lângă absorbția considerată „adevărată”, în care energia undelor luminoase este convertită în energie de alte tipuri, este posibilă o scădere a densității fluxului de energie într-un fascicul de raze datorită împrăștierii energiei în lateral.

Conform legii de bază a fotochimiei, care este o consecință a legii conservării energiei, doar lumina care este absorbită de un anumit sistem poate avea un efect fotochimic. Lumina care nu este absorbită de acest sistem nu va provoca reacții fotochimice. Prin urmare, pentru a lua în considerare energia unui proces fotobiologic, este necesar să se cunoască absorbtivitatea sistemului. În acest sens, doi factori sunt cei mai importanți:

1. cantitatea totală de energie absorbită sau numărul de quante absorbite pe unitatea de timp (primul factor). Acest indicator este de obicei estimat folosind densitatea optică a obiectului;
2. valoarea cuantumului absorbit (al doilea factor)

Primul factor determină numărul posibil de reacții care apar pe unitatea de timp, adică viteza procesului. Al doilea factor determină energia fotoreacției în sine, adică determină care reacție este posibilă.

Fluxul cuantelor de lumină, care trece printr-un sistem care conține molecule ale unei substanțe, este slăbit. Slăbirea fluxului de cuante are loc datorită faptului că unele dintre cuante sunt absorbite (captate) de molecule.

Fie I intensitatea fluxului de lumină, adică numărul de cuante care trec printr-o dată probă pe unitate de timp. Slăbirea intensității luminii dI va depinde de numărul de ciocniri ale cuantelor cu moleculele substanței. Evident, numărul acestor ciocniri este proporțional cu numărul de molecule pe calea fluxului de lumină, adică proporțional cu concentrația C a substanței. Pe de altă parte, trebuie să fie, de asemenea, proporțional cu numărul de quante care trec prin sistem pe unitatea de timp, adică cu intensitatea fluxului luminos I. Dacă luăm o distanță suficient de mică dl la care are loc absorbția, atunci atenuarea intensității fluxului dI va fi proporțională cu această distanță. Dependențele stabilite pot fi exprimate prin ecuația: DI=k · eu · C · dl, (3) unde k este coeficientul de proporționalitate; semnul minus înainte dI indică faptul că fluxul luminos este în scădere. Ecuația (3) este o ecuație diferențială liniară de ordinul întâi. Să o scriem în următoarea formă: DI/I=k · C · dl Integrând părțile stânga și dreaptă, obținem: LnI = k · C · l=B, unde l este grosimea probei (lungimea căii optice); B este constanta de integrare care trebuie determinată. Fie l \u003d 0, apoi B \u003d -lnI o, unde I o este intensitatea fluxului care intră în substanță. Înlocuind valoarea lui B în ecuația anterioară, obținem: lnI o - lnI = k · C · l, sau lnI o / I = k · C · l(4) Am \u003d eu despre e - kCl, (5) unde e este baza logaritmilor naturali. Ecuațiile (4) și (5) sunt o expresie a legii Lambert-Beer: intensitatea fluxului luminos care trece prin substanță scade exponențial în funcție de lungimea căii optice și de concentrația substanței în probă. În ecuația (4), înlocuim logaritmul natural cu unul zecimal și notăm noul coeficient de proporționalitate cu ε. Apoi lg I o / I = ε · C · l(6) Logaritmul zecimal al raportului dintre intensitatea luminii incidente și intensitatea luminii care părăsește proba se numește densitate optică. Notând-o cu D, obținem: lg I o / I = D = ε · C · l(7) În acest caz, legea Lambert - Beer poate fi formulată după cum urmează: densitatea optică a probei este direct proporțională cu concentrația substanței din eșantion și cu lungimea căii luminii. În ecuația (7), ε se numește coeficientul de absorbție molar. Dacă l=1 și C=1, atunci ε=D, adică este densitatea optică a unei probe cu o grosime de o unitate (1 cm) la o concentrație de substanță de 1 mol/l. Densitatea optică arată capacitatea de absorbție a unei substanțe. Cu cât absorbția este mai mare, cu atât este mai mare raportul I o / I, adică cu atât densitatea optică este mai mare.

O substanță absoarbe lumina de diferite lungimi de undă în mod diferit. Curba de dependență a densității optice a unei substanțe de lungimea de undă a luminii absorbite se numește spectru de absorbție.

De obicei, spectrele de absorbție ale moleculelor sunt continue, dar prezintă maxime la lungimea de undă a luminii unde există o absorbție maximă a cuantelor de lumină. În Fig.1. sunt date spectrele de absorbție ale unor compuși importanți din punct de vedere biologic care absorb lumina în regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului solar. Proteinele au un maxim de absorbție la o lungime de undă de 280 nm, acizi nucleici - în regiunea de 260 nm, rodopsina - 500 nm, clorofilă A are două maxime de absorbție: 430 și 680 nm.

După cum se poate observa din figură, spectrele de absorbție au uneori o formă destul de complexă, care este caracteristică unei substanțe date și depinde de structura și proprietățile moleculelor unei substanțe date.

Studiul spectrelor de absorbție a oricărui proces fotobiologic face posibil să se afle ce substanță este responsabilă de absorbția luminii în acest proces. Acest lucru se realizează prin compararea spectrelor procesului studiat și a spectrelor substanțelor cunoscute. În plus, prin poziția maximelor pe scara lungimii de undă se poate determina lungimea de undă a luminii absorbită predominant de această substanță.

Cunoașterea lungimii de undă a luminii absorbite face posibilă determinarea energiei cuantelor absorbite. Și după mărimea energiei cuantelor absorbite, se poate calcula locația nivelurilor de energie electronică și vibrațională ale moleculei, precum și tranzițiile moleculelor de la o stare de energie la alta.

Pe lângă toate aceste informații, valoarea densității optice oferă informații despre concentrația unei substanțe din proba de testat. Pe baza mărimii maximelor de absorbție, pe baza ecuației (7), se pot trage concluzii despre concentrația unei substanțe în obiectul studiat.

Metoda de studiu a proceselor fotobiologice folosind spectre de absorbție se numește spectrofotometrie de absorbție. Spectrele de absorbție se obțin cu instrumente speciale - spectrofotometre. Pe fig. 2 prezintă o diagramă a structurii spectrofotometrului.

Lumină dintr-o sursă de lumină L intră în monocromator M, care dă radiații cu o lungime de undă strict definită. Lumina intră în cuvă de la monocromator La cu o soluție a substanței de testat.

Din cuvă este direcționat fluxul atenuat de quante PMT- multiplicator fotoelectronic, care convertește energia cuantelor în energie electrică și o amplifică. În unele cazuri, în locul unui PMT poate fi folosită o fotocelulă obișnuită cu un amplificator.

De la PMT, curentul electric este furnizat dispozitivului de înregistrare G, calibrat în unități de densitate optică. Poate fi un galvanometru sau un reportofon.

Prin rotirea mânerului monocromatorului, lumină de diferite lungimi de undă este trimisă către obiect și citirile sunt preluate de la dispozitivul de înregistrare.

În spectrofotometrele moderne, spectrul monocromatorului este implementat automat, iar citirile sunt, de asemenea, înregistrate automat pe un magnetofon în mișcare. În acest caz, cuva cu soluția este plasată în cameră, dispozitivul este pornit și se obține o curbă gata făcută - spectrul de absorbție.

Pagină 2

total pagini: 6