Лекция 15.

Поглощение света и его законы. Показатель поглощения, коэффициент пропускания, оптическая плотность. Регистрация спектров поглощения биологических объектов. Фотоколориметрия и спектрофотометрия.

Рассеяние света. Нефелометрия.

Вынужденное излучение, его особенности. Условия усиления света. Оптические квантовые генераторы (лазеры). Характеристики лазерного излучения. Воздействие низкоинтенсивного и высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани. Физические основы ла­зерной терапии и хирургии.

Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами

Огромное количество разных явлений происходит потому, что изменяется энергия атомов и молекул. Во многих случаях эффективное использование явления для практики оказывается возможным только с непременным учетом его молекулярной (атомной) природы

В этой главе излагаются особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами, а также некоторые практически важные явления, знание молекулярной природы которых существенно для их использования. Некоторые вопросы этой обширной темы рассматриваются в следующей главе.

24.1. Поглощение света

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества.

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

П

Рис. 24.1

оглощение кванта света происходит при его неупругом столкновении с молекулой (атомом), приводящем к передаче энергии фотона веществу, и является случайным событием. Вероятность поглощения кванта света образцом вещества толщиной l (рис. 24.1) оценивается величиной коэффициента поглощения 1  Т, равного отношению интенсивностей поглощенного света I_п = I₀  I к интенсивности падающего I₀

(24.1)

где I — интенсивность прошедшего света, —коэф-фициентпропускания.

Выведем закон поглощения света веществом. Выделим тонкий слой вещества dx, перпендикулярный пучку монохроматического света интенсивностью i (I₀  i  I), и будем исходить из предположения, что ослабление света (доля поглощенных квантов) -di/i таким слоем не зависит от интенсивности (если интенсивность не слишком велика), а определяется только толщиной слоя dx и коэффициентом пропорциональности k_:

-di/i = k_dx. (24.2)

Коэффициент k_ различен для разных длин волн и его величина зависит от природы вещества. Интегрируя (24.2) и подставив пределы интегрирования для х от 0 до l и для i от I₀ до I, получаем

откуда, потенцируя, имеем

_(24.3)

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Коэффициент k_ называют натуральным показателем поглощения, его величина обратна расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами (атомами), то закон поглощения можно связать с некоторыми характеристиками молекул. Пусть n — концентрация молекул (число молекул в единице объема), поглощающих кванты света. Обозначим буквой s эффективное сечение поглощения молекулы — некоторую площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой. Другими словами молекулу можно представить как мишень определенной площади.

Если считать, что площадь сечения прямоугольного параллелепипеда (рис. 24.1) равна S, то объем выделенного слоя Sdx, а количество молекул в нем nSdx; суммарное эффективное сечение всех молекул в этом слое будет snSdx. Доля площади поперечного сечения поглощения всех молекул в общей площади сечения

(24.4)

Можно считать, что такая же, как и (24.4), часть попавших на слой квантов поглощается молекулами, ибо отношение площадей определяет вероятность взаимодействия одного кванта с молекулами выделенного слоя. Доля поглощенных слоем квантов равна относительному уменьшению интенсивности (di/i) света. На основании изложенного можно записать

(24.5)

откуда после интегрирования и потенцирования имеем

I = I₀e^-snl. (24.6)

В это уравнение, аналогичное (24.3), входит параметр s, который отражает способность молекул поглощать монохроматический свет используемой длины волны.

Более приняты молярные концентрации С = n/N_A, откуда n = CN_A. Преобразуем произведение sn = sCN_A = _C, где _ = sN_A — натуральный молярный показатель поглощения. Его физический смысл — суммарное эффективное сечение поглощения всех молекул одного моля вещества. Если молекулы, поглощающие кванты, находятся в растворителе, который не поглощает свет, то можно (24.6) записать в виде

(24.7)

Эта формула выражает закон Бугера—Ламберта—Вера. В лабораторной практике этот закон обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

(24.8)

Закон Бугера—Ламберта—Бера используют для фотометрического определения концентрации окрашенных веществ. Для этого непосредственно измеряют потоки падающего и прошедшего через раствор монохроматического света (концентрационная колориметрия), однако определенный таким образом коэффициент пропускания Т (или поглощения 1 - Т, см. (24.1)) неудобен, так как он из-за вероятностного характера процесса связан с концентрацией нелинейно [см. (24.8) и рис. 24.2, а]. Поэтому в количественном анализе обычно определяют оптическую плотность (D) раствора, представляющую десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания,

(24.9)

Рис. 24.2

Оптическая плотность удобна тем, что она линейно связана с концентрацией определяемого вещества (рис. 24.2, б).

Закон Бугера—Ламберта—Бера выполняется не всегда. Он справедлив при следующих предположениях: 1) используется монохроматический свет; 2) молекулы растворенного вещества в растворе распределены равномерно; 3) при изменении концентрации характер взаимодействия между растворенными молекулами не меняется (иначе фотофизические свойства вещества, в том числе и значения s и , будут изменяться); 4) в процессе измерения не происходят химические превращения молекул под действием света; 5) интенсивность падающего света должна быть достаточно низка (чтобы концентрация невозбужденных молекул практически не уменьшалась в ходе измерения). Зависимости s, ,  или D от длины волны света называют спектрами поглощения вещества.

Спектры поглощения являются источниками информации о состоянии вещества и о структуре энергетических уровней атомов и молекул. Спектры поглощения используют для качественного анализа растворов окрашенных веществ.