2.1.Жарықтың жұтылуы. Бургер заңы

Электромагниттік толқын зат арқылы өткенде толқын энергиясының бір бөлігі атомдар мен молекулалардағы электрондардың тербелістерін қоздыруға жұмсалады. Біртекті мінсіз (идеал) ортадағы периодты тербеліс жасайтын дипольдар сол жиілікте екінші реттік электромагниттік толқындар шығарады; бұлар бастапқы толқынмен интерференцияланып оның фазалық таралу жылдамдығын өзгертеді, бірақ осы жағдайда оған энергияның жұтылған үлесін түгелдей береді.

Реал затта тербеліс жасап тұрған электрондардың энергиясы түгелдей электромагниттік толқындар түрінде кері шығарылмайды, оның бір бөлігі энергияның басқа түрлеріне, негізінен жылуға айналады. Қозған атомдар мен молекулалар әсерлеседі және бір-бірімен соқтығысады. Осындай соқтығысуларда атомдардың ішіндегі электрондардың тербеліс энергиясы атомдардың бүтіндей сыртқы хаостық қозғалыстары энергиясына ауыса алады. Металдарда электромагниттік толқын еркін электрондарды тербелмелі қозғалысқа түсіреді, бұлар артынан соқтығысқанда жинақталған артық энергияны кристалдық тордың иондарына береді, сөйтіп оны қыздырады. Кейбір жағдайларда молекулада жұтылған энергия нақты химиялық байланыста шоғырланып және толығынан оны үзуге жұмсалуы мүмкін. Бұл - фотохимиялық реакциялар, яғни жарық толқыны энергиясының есебінен өтетін реакциялар.

Ортаның оптикалық біртекті еместігі едәуір болғанда қоздырылған атомдар мен молекулалардың кері қарай шығаратын электромагниттік толқындарының белгілі бөлігі бастапқы толқындарға қатысты когерентті болмайды да жан-жаққа шашырайды. Осындай шашырау нәтижесінде алғашқы жарық шоғының энергиясы қозған атомдар энергиясының энергияның басқа энергия түріне қайтымсыз ауысқандағыдай біртіндеп азаяды.

Бугер формуласын қорыту. Интенсивтігі жарықтың параллель шоғы қалыңдығымөлдір біртекті ортаның бетіне нормаль бағытталған болсын. Жұтылу нәтижесінде ортадан шыққан шоқтың интенсивтігі кемиді (оныарқылы белгілейміз). Заттың берілген қабатында жұтылу заңдылығын анықтау керек.

Координаттар жүйесін сайлап аламыз. Координаттар басын ортаның алдыңғы бетіне орналастырып, осін осы бетке параллель бағыттаймыз, алосін – жарықтың таралу бағыты бойымен бағыттаймыз (7.17-сурет). Затта шексіз жіңішке қалыңдығықабатты ойша бөліп аламыз. Сірә, қалыңдығықабаттағы жарық интенсивтігінің кемуі осы қабатқа түсетін интенсивтіктің шамасына және жұтушы қабат қалыңдығына пропорционал, яғни

, (7.39)

мұндағы - жарық интенсивтігіне тәуелсіз, пропорционалдық коэффициент. Минус таңбасы жұтатын қабаттың қалыңдығы артқан сайын ол арқылы өтетін жарық интенсивтігінің кемитіндігін көрсетеді.

Қалыңдығы қабаттан шығатын жарықтың интенсивтігі өрнегін алу үшін (7.39) өрнекті 0-ден-ге дейінгі аралықта интегралдауға тиіспіз:

.

Ортаның біртектілігі жайындағы және әрбір қабатта түсетін энергияның бірдей бөлігі жұтылатындығы жайлы ұйғарымға байланысты ортаның жұтылу қабілетін сипаттаушы коэффициент, координаттан да, интенсивтіктен де тәуелді болмайды (сызықтық оптикалық эффект).Демек, оны тұрақты ретінде интеграл астынан шығаруға болады. Сонда мынаны аламыз:

Осыдан

, (7.40)

мұндағы және- ортаның бетіне түсетін және қалыңдығықабаттан шығатын жарық интенсивтігі,-жұтылу коэффициенті.

(7.40) формуланы 1729ж. Бугер (1698-1758) тағайындап негіздеген, сондықтан Бугер заңы деп аталады.

Бугер және одан тәуелсіз Беер (1852) ерітіндінің жарықты жұтуы (жұтпайтын еріткіште) ерітілген заттың молекулалық концентрациясына пропорционал болатындығын тағайындады, яғни

(7.41)

мұндағы - ерітілген зат молекуласына тән және концентрацияға тәуелсіз жұтылу коэффициенті. (7.40)-та (7.41)-ді ескеріп, Бугер-Беердің заңын аламыз

. (7.40а)

(7.40а) өрнегі газдар мен ортаның жеке бөлшектерінің өзара ықпалын ескермеуге болатын концентрациясы өте аз ерітінділер үшін орындалады. (7.34а) өрнегі орындалатын аралықта онымен пайдаланып ерітіндідегі жұтатын заттың концентрациясын анықтауға болады.

Жұтылу коэффициенті. (7.40) өрнегін (7.29) өрнегімен салыстырып, жұтылу коэффициенті менпараметрі арасындағы байланысты анықтаймыз:

.

Сыну көрсеткішіне ұқсас, жұтылу коэффициенті де толқын ұзындығына тәуелді, яғни жұтылу іріктелген сипатта болады. Мұнымен жұтушы орталардың түрлі түске боялып көрінуі түсіндіріледі. Мысалы, қызыл және сары сәулелер нашар жұтатын, ал жасыл, көк және күлгін сәулелерді күшті жұтатын шыны, ақ жарықта қарағанда қызыл түсті болып көрінеді. Егер осындай шыныға жасыл, көк немесе күлгін жарық бағытталса, онда берілген толқын ұзындығы бар жарықты күшті жұтатындықтан шыны «қараң болып көрінеді. Көрінетін жарық аралығындағы барлық толқын ұзындықты жұтпайтын орта абсолют мөлдір орта деп аталады.

Барлық заттар үшін жұтылу іріктелген сипатта болады, яғни жұтылу коэффициенті жарықтың толқын ұзындығына (вакуумдағы) тәуелді. Сұйық және қатты заттар үшінтәуелділігінің түрі 7.18-суретте кескінделгенге ұқсас болады, яғни күшті жұтылу толқын ұзындықтардың жеткілікті кең аралығында байқалады.

коэффиценті газдар немесе төмен қысымдағы металл булары жағдайында өзін тіпті басқаша көрсетед. Мұнда барлық толқын ұзындықтары үшін , тек өте жіңішке спектрлікаралық үшін (нм-дің бірнеше мыңдық бөлігіндей) айқын максимумдар байқалады (7.19-сурет). Осы максимумдар іс жүзінде бір-бірімен әсерлеспейтін атомдардың ішіндегі электрондар тербелістерінің резонанстық жиіліктеріне сәйкес келеді.

Қысымды арттырғанда жұтылу максимумдары барған сайын кеңея түседі, жоғары қысым жағдайында спектрі сұйықтардың жұтылу спектрлеріне жақындайды. Бұл атомдар арасындағы әсересудің артуымен байланысты.

Соңында атап өтетін нәрсе, ол коэффициенті теріс болатындай зат атомдарының күйін жасауға болады; осындай күйдегі зат арқылы жарықтың өтуімен қоса оның интенсивтігі де артады. Осы жағдай лазерлерде іске асырылады.

Атомдары бірінен-бірі едәуір қашық орналасқан булардағы жұтылу коэффициентінің толқын ұзындығына тәуелділігі атомдар ішіндегі электрондардың меншікті тербеліс жиіліктеріне сәйкес келетін жіңішке спектрлік сызықтардың жиынтығы түрінде болады. Натрий буы үшін осындай тәуелділік 7.19-суретте келтірілген.

Молекулалары бірнеше атомнан құралған газдарда молекуланың ішіндегі атомдардың тербелістеріне және молекуланың өстен бүтіндей айналысына сәйкес келетін меншікті жиіліктер байқалады. Қозғалыстың осы үш түрі (электрондық, тербеліс және айналыс) квантталған және көрші электрондық деңгейлердің аралығына тербеліс деңгейлерінің жиыны, ал көрші тербеліс деңгейлерінің аралығына – айналыс деңгейлерінің жиыны орналасқан болады. Электрондық ауысулардың жиіліктері спектрдің ультракүлгін және көрінетін аймақтарына, ал тербеліс және айналыс ауысуларының жиіліктері – жақын және алыс инфрақызыл аймаққа сәйкес келеді.

Затқа тұтас спектрі бар сәулені бағыттап, зат арқылы өткен сәуленің спектрлік құрамына талдау жүргізеді. Осындай зерттеу әдісі абсорбциялық атомдық және молекулалық спектроскопия деп аталады.

Жұтылу спектрі заттың агрегаттық күйінің өзгерісін өте сезгіш болатындықтан (біратомды газдың спектрі айқын жұтылу сызықтарынан тұрады, көп атомды молекула спектрі – жеке жолақтардан тұрады; газдың қысымы артқанда жұтылу спектріне жақындайды), абсорбциялық спектроскопия әдісі молекула аралық әсерлесуді зерттеу үшін де қолданылады.

3-БИЛЕТ