IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Поглощение света.

Если на прозрачную среду, имеющую толщину слоя l направить параллельный пучок света с интенсивностью I0, то в результате поглощения света в данной среде интенсивность вышедшего света I уменьшается, т.е. I<I0

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии (тепловую и энергию возбужденных электронов)

Установим закон поглощения света с веществом.  Выберем вещество толщиной . Пусть на вещество падает свет с интенсивностью I0. После прохождения света через вещество интенсивность его уменьшится и будет равна I

 

 

 

 

 

 

 

 

Выберем систему координат. Поместив начало координат на лицевой поверхности среды, направим ось Y параллельно этой поверхности, а ось  X – вдоль распространения света (рис.  1). Выделим в веществе бесконечно тонкий слой толщиной dx. Уменьшение интенсивности света в слое толщиной dx будет пропорционально величине интенсивности падающего на этот слой света и толщине поглощаемого слоя, т.е.

                                                                                      (1)

Знак минус показывает, что  с увеличением толщины слоя интенсивность прошедшего через него света уменьшается.

 k - натуральный показатель поглощения – коэффициент, характеризующий свойства вещества, не зависящий от интенсивности света.

С целью получения выражения для интенсивности света, прошедшего слой толщиной мы должны интегрировать выражение (1)

Т.к. среда однородна и в каждом слое поглощается одна и та же часть падающей энергии, то коэффициент, характеризующий поглощательную способность среды, не будет зависеть ни от координаты X, ни от интенсивности. Следовательно, k  можно вывести из под знака интеграла как постоянную. Тогда получаем:

или:

                                                                                                              (2)

Формула (2) была экспериментально установлена и теоретически обоснована Бугером в 1729 году и называется законом Бугера. Закон Бугера показывает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии.

Натуральный показатель поглощения (k) зависит от длины волны света, поэтому закон (2) лучше записать для монохроматического света:

                                                                   

                                     (3)

где:  kl - монохроматический натуральный показатель поглощения.

Бугер и независимо от него Бер (1852) установили, что поглощение света раствором пропорционально молекулярной концентрации с растворенного вещества, т.е.

 

                                -   закон Бера,                                         (4)

где:  - натуральный молярный показатель поглощения.

Используя закон  (6), можно записать закон Бугера-Ламберта-Бера:

                                                          (5)

В лабораторной практике закон Бугера-Ламберта-Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

,                                                                (6)

где: - молярный показатель поглощения;

с – концентрация;

l – толщина.

 , так как

Отношение интенсивности потока, прошедшего через данное тело или раствор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом пропускания (прозрачностью).

Десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называется оптической плотностью раствора.

Покажем, что оптическая плотность веществ прямо пропорциональна концентрации и толщине раствора

 

На основе закона Бугера-Ламберта-Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в слабоокрашенном растворе (концентрационная колориметрия).

 

 

Рассеяние света.

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой поток отклоняется по всевозможным направлениям. Условием для возникновения рассеяния является наличие оптических неоднородностей, то есть областей с иным, чем основная среда показателем преломления.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают с помощью показательной функции

 

 - показатель рассеяния.

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией

 - показатель ослабления. .

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав при носят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы нефелометрами.

 

 

Тепловое излучение тел.

Тепловое излучение – это излучение нагретых тел. Оно присуще всем телам и возникает при любых температурах выше 0 К. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).

Поток излучения, испускаемый 1 м2 поверхности, называют энергетической светимостью R. В СИ она выражается в ваттах на квадратный метр ( Вт/м2).

Отношение энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка называется спектральной плотностью энергетической светимости тела. В СИ она выражается Вт/м3.

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела.

Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:

Так как коэффициент поглощения зависит от длины волны, то данное выражение для потоков монохроматического излучения примет вид:

где  - монохроматический показатель поглощения. Коэффициент поглощения принимает значения от 0 до 1.  Особенно хорошо поглощают излучения черные тела, плохо поглощают тела с белой поверхностью и зеркала.

Тело, коэффициент поглощения которого равен 1 для всех частот, называют абсолютно черным. Оно поглощает все падающее на него излучение.

Серым называют тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него.

Серых тел в природе нет, но некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые.

Излучение абсолютно черного тела имеет сплошной спектр.

Из анализа спектров излучения абсолютно черного тела, можно сделать выводы:

 1) Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

3) Энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания абсолютно черного тела.

 

Законы излучения черного тела.

Согласно закону Стефана-Больцмана

т.е. энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

  постоянная Стефана – Больцмана.  Вт/м2.

Немецкий физик Вин, опираясь на законы термо- и электродинамики, установил зависимость длины волны , соответствующей максимуму функции  от температуры. Согласно закону смещения Вина

                                                                                                            то есть длина волны , соответствующая максимальному значению энергетической светимости  черного тела, обратно пропорциональна его  термодинамической температуре. 

b – постоянная Вина

Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, регистрируя излучение тел, определять их температуры( оптическая пирометрия)

                                        Излучение Солнца.

Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце.

Солнечной постоянной называют величину, равную потоку солнечной радиации, приходящегося на 1 м2 площади границы земной атмосферы. Данная величина составляет 1350 Вт.  

Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром. Принцип его действия основан на использовании нагревания зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации.

Физические основы тепловидения.

Термографией (тепловидением) называют диагностический метод регистрации излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры. Существуют два метода термографии:

1. Контактная термография: используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая индикаторы на тело больного, можно по изменению их цвета определить местное различие температуры.
2. Телетермография. Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический 
   сигнал, который  визуализируется на экране тепловизора. Части тела, имеющие разные температуры, изображают на экране разным цветом.

 

Код для цитирования: Скопировать