Закон Бугера

Интенсивность света, распространяющаяся в среде может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества. Ослабление интенсивности света при прохождении его через любое вещество, вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии называется поглощением света. При этом уменьшение интенсивности света (I) в зависимости от толщины слоя вещества (l) подчиняется закону Бугера:

I_l = I₀ e ^– al ,

где a – натуральный показатель поглощения. Как видно из формулы, натуральный показатель поглощения a является физической величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз; I ₀ – первоначальная интенсивность света, падающая на слой вещества толщиной l; I_l – интенсивность света после прохождения света через слой вещества l. Вывод закона Бугера (в дифференциальной и в интегральной формах) подробно изложен в учебнике Ремизова А. Н.

Если поглощающим свет веществом является окрашенный раствор слабой концентрации, то в этом случае выполняется закон Бера:

a = χ’C 

Натуральный показатель поглощения для окрашенных растворов слабой концентрации прямо пропорционален концентрации раствора С(при длине волны света λ максимально поглощаемого этим раствором). Коэффициент пропорциональности в формуле 12 –χ’ - называется натуральным молярным показателем поглощения. Объединяя закон Бера с законом Бугера, мы получаем закон Бугера – Ламберта – Бера:

I_l = I₀ e ^{– χ’׳Сl} 

На практике закон Бугера – Ламберта – Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

I_l = I₀ 10 ^- χ Сl 

где: χ– молярный показатель поглощения, равный примерно 0,43χ׳.

Отношение потока (интенсивности) излучения, прошедшего сквозь данное тело или раствор, к потоку (интенсивности излучения), упавшего на это тело (раствор), называют коэффициентом пропускания (τ):

τ = I_l / I₀

Десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называют оптической плотностью раствора (D):

D = lg (1/τ) = lg (I₀ / I _l)

С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера записывается в виде:

D = χ Сl 

Обычно χ относят к какой – либо длине волны и называют монохроматическим показателем преломления (χ_λ ).

Из формулы следует, что при данной толщине слоя раствора оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации раствора.

На основе закона Бугера-Ламберта-Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации окрашенных растворов (концентрационная колориметрия).

Рассеяние света

Рассеяние света может происходить в так называемых мутных средах—средах с явно выраженными оптическими неоднородностями. К мутным средам относятся облака, дым, туман, эмульсия, коллоидные растворы и т. д., т. е., такие среды, в которых взвешено множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходя через мутную среду, дифрагирует от беспорядочно расположенных микронеоднородностей, давая равномерное распределение интенсивностей по всем направлениям, не создавая какой-либо определенной дифракцион­ной картины. Происходит так называемое рассеяние света в мутной среде. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и тем самым становится видимым.

Рассеяние света (как правило, слабое) наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Объясняется рассеяние света в сpeдах нарушением их оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке. Причиной рассеяния света могут быть также флуктуации плотности, возникающие в процессе хаотического (теплового) движения молекул среды.

Рассеяние света в чистых средах, обусловленное флуктуациями плотности, анизотропии или концентрации, называется молекулярным рассеянием.

Молекулярным рассеянием объясняется, например, голубой цвет неба.

Согласно закону Д. Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны

I ~ v⁴ ~λ^-4

Поэтому голубые и синие лучи рассеиваются, обусловливая тем самым голубой цвет неба.

По этой же причине свет, прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается обогащенным более длинноволновой частью спектра и поэтому при закате и восходе Солнце кажется красным. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры. Поэтому в ясный летний день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким же зимним днем.

Выводы

Итак, мы рассмотрели основные закономерности излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретыми телами, атомами и молекулами вещества. В результате рассеяния энергия первичного пучка света постепенно уменьшается, как и при переходе энергии возбужденных атомов в другие формы энергии. Так свет уличного фонаря в тумане распространяется не прямолинейно, а рассеивается во всех направлениях, и интенсивность его быстро убывает при удалении от фонаря, как вследствие поглощения, так и из-за рассеяния. Следует еще раз отметить, что все эти процессы излучения и поглощения подчиняются законам квантовой механики.