24. Поглощение света веществом

Свет, проходя через вещество, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного излучения в другие виды энергии. С точки зрения электронной теории, взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового излучения. Поглощение светового излучения можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества. Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света Ilλ = I0λe-K l (1), где I0λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; Ilλ - интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l; Кλ – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. Кλ = f(λ).

Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален Кλ = cλС (2), где cλ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (2), можно закон Бугера (1) переписать в виде: Iλ = I0λe-c Cl (3) cλ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в [моль/литр], то cλ называют молярным коэффициентом поглощения. Соотношение (3) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя Ilλ , к вошедшему I0λ носит название коэффициента оптического (или свето- пропускания слоя Т:Т = Ilλ /I0λ = e-c Cl (4) или в процентах Т = Ilλ /I0λ 100%.(5)

Поглощение слоя равно отношению Логарифм обратной величины 1/Т называется оптической плотностью слоя D D = lg 1/T = lg I0λ /Ilλ = 0,43cλСl (6), т.е. оптическая плотность характеризует поглощение света средой. Соотношение (6) может быть использовано как для определения концентрации растворов, так и для характеристики спектров поглощения веществ. Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения. Спектры поглощения, как и спектры испускания, бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой. Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Еэл , колебательной Екол и вращательной Евр энергии (Е=Еэл + Екол + Евр ) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ΔЕэл>>ΔEкол>>ΔЕвр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.