3 1 ИЗУЧАВАНЕ НА ЗАКОНА НА БУГЕР-ЛАМБЪРТ - Право - стр

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА СВЕТЛИНАТА С ВЕЩЕСТВОТО

КВАНТОВА ПРИРОДА НА СВЕТЛИНАТА

3.1. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЗАКОНА НА БУГЕР-ЛАМБЪРТ

Изследването на феномена на абсорбция (поглъщане) на светлината от материята и експериментално потвърждение на прилагането на закона Бугер-Ламбер.

ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ НА РАБОТА

Електромагнитна вълна, преминаваща през среда, се отслабва поради абсорбция и разсейване.

Поглъщането на светлина е явлението на намаляване на енергията на светлинна вълна, докато се разпространява в веществото, което възниква в резултат на трансформацията на енергията на вълната във вътрешната енергия на веществото. Поглъщането на светлина може да причини нагряване на вещество, възбуждане и йонизация на атоми или молекули, фотохимични реакции и други процеси в веществото.

Разсейването на светлината е явление на трансформация на светлината от вещество, придружено от промяна в посоката на разпространение на светлината и проявяващо се като неправилно сияние на вещество, дължащо се на принудителни колебания на електрони в атомите на разсейваща среда под действието на падаща светлина. Възниква в оптически нехомогенна среда, чийто индекс на пречупване се променя скачащо от точка на точка на средата поради колебания в плътността на средата (молекулярно разсейване) или поради наличието на чужди малки частици в средата (мътна среда - дим, мъгла, емулсии и др.). Разсейването на светлината в мътна среда от частици, чиито размери са малки в сравнение с дължината на вълната, се нарича феномен на Тиндал. Теорията на молекулярното разсейване от разредени газове е разработена от полския физик М. Смолуховски; и течности – А. Айнщайн.

Законът за отслабване на светлината е експериментално установен от френския учен П. Бугер и впоследствие теоретично изведен от немския учен И. Ламберт. Позволявамв поглъщаща среда се разпространява сноп от успоредни лъчи, чийто начален интензитет прих=0 е равен наI0(фиг. 1).

P

право
преминавайки пътяхв средата, светлината се отслабва поради поглъщане и разсейване и нейният интензитетIстава по-малък от първоначалнияI0. Да изберем участък от средата с дебелинаdх. Интензитетът на светлината, преминаваща по пътяx+dx,равен наIdIще бъде по-малък отI, т.е.dI 0 (затихване). СтойносттаdIе лъчист поток, погълнат и разпръснат в областтаdхи очевидно е пропорционален на дебелината на тази областdxи интензитета на падащата (на тази област) светлинаI, т.е.

. (1)

Коефициентът на пропорционалностсе нарича фактор на затихване на светлината.

Разделяйки променливите и интегрирайки израз (1) в диапазона отI0доI, получаваме

затихване
,
бугер-ламбърт
,
изучаване
;

изучаване
. (2)

P

затихване
Полученият израз се нарича закон на Бугер-Ламберт. На фиг. 2 е показана графика (експонента) на тази зависимост.

Коефициентът на затихванее сумата от коефициента на поглъщане и коефициента на разсейване:

. (3)

Първата от тях (

право
) характеризира дела на абсорбираната енергия (
закона
) на единица път (dx= 1), която е преобразувана в други форми на енергия, главно топлина. Вторият (
затихване
) по подобен начин характеризира частта от енергията на първичния лъч, отнесена от разсеяната светлина във всички посоки.

Коефициентът на затихванезависи само от дължината на вълната на светлината, химическата природа и състоянието на веществото и не зависи от интензитета на светлината. С.И. Вавилов установи, че законът на Бугер-Ламбер се изпълнява в доста широк диапазонпромени в интензитета на светлината. Зависимостта на коефициентаµот дължината на вълната, която характеризира спектъра на поглъщане на светлина в тази среда, е свързана с явлението резонанс при принудителни вибрации на електрони в атоми и атоми в диелектрични молекули. Той има размерността на реципрочната дължина (m -1 ) и се нарича линеен коефициент на затихване на светлинния поток. Неговото физическо значение е лесно да се установи чрез трансформиране на уравнение (1), както следва:

бугер-ламбърт
. (4)

Ако дебелината на слоя

бугер-ламбърт
, съотношението
закона
. Тогава от (4) имаме:

изучаване
. (5)

По този начин коефициентът на затихване е числено равен на реципрочната стойност на дебелината на слоя вещество, след което интензитетът на светлината намалява с "e" пъти (e= 2.7182.. - основата на естествените логаритми). Фигура 2 също така показва, че

закона
характеризира разстоянието, на което светлината би била напълно абсорбирана, ако абсолютната абсорбция (dI) не намаля с намаляването на интензитета на преминаващия поток.

На фиг. 2 (в логаритмични координати) е отбелязана и т.нар. дебелина на слоя на полузатихване x0,5, определена от условието:

затихване
,
закона
;

право
. (6)

Масовият коефициент на затихванена лъчите често се използва, тъй като коефициентът на затихване обикновено е пропорционален на плътността.

затихване
;
закона
. (7)

В този случай законът на Бугер-Ламбер приема формата:

. (8)

Продуктътххарактеризира масата на абсорбиращото вещество на единица площ на предавания лъч (

изучаване
).

Когато светлината се абсорбира от вещества, разтворени в практически неабсорбиращ разтворител (например чиста вода), коефициентът на затихване често е пропорционален на концентрацията на разтвореното веществоC:

бугер-ламбърт
. (9)

Товазависимостта е получена експериментално от немския учен А. Behr и се нарича правило на Beer.

За такива решения законът за поглъщане (законът на Бугер-Ламберт-Бир ) приема формата:

, (10)

където

бугер-ламбърт
е нов коефициент на затихване (поглъщане), независим от концентрацията и характерен за молекула на абсорбиращо вещество. Трябва да се отбележи, че в реалните газове и разтвори законът на Бугер-Ламберт-Беер не винаги е изпълнен.

Чрез измерване на абсорбцията на светлина от слой от такъв разтвор (дебелинаx) и познаване на коефициента на затихване

право
, може да се намери концентрацията на изследвания разтвор от тук:

изучаване
. (единадесет)

При достатъчно висок интензитет на светлината законът на Бугер-Ламбер се нарушава: коефициентът на поглъщане на диелектрична среда започва да зависи от интензитета на светлината, намалявайки с нарастването му, което противоречи на класическата физика. Отговорът се дава от квантовата теория: когато светлината се абсорбира, част от молекулите на средата преминават във възбудено състояние. Такива молекули не могат да участват в по-нататъшното поглъщане на светлина, докато не се върнат, изразходвайки цялата си енергия, в невъзбудено (стационарно) състояние. Законът на Бугер-Ламбер е изпълнен само ако делът на възбудените молекули е незначителен.

Възможно е да се реализира такова неравновесно състояние на средата, при което делът на възбудените молекули ще бъде толкова голям, че индексът на поглъщане * стане отрицателен. Това явление, съответстващо на отрицателността на  *, се използва в квантовите генератори на радиовълни и светлина (лазери). Тогава такава среда се нарича активна и светлината се усилва според закона на Бугер-Ламберт-Фабрикант

. (12)

Законът на Бугер-Ламбер по принцип е приложим за целия диапазон от електромагнитни емисии на видима светлина, инфрачервена иултравиолетови лъчи, радиовълни, рентгенови лъчи и гама лъчи. При практическото му приложение обаче трябва да се има предвид, че при определени условия той може да има само приблизителен характер. Коефициентът на затихване зависи от дължината на вълната на светлината и законът на Бугер-Ламбер е валиден за монохроматична светлина, ако честотата на светлината е далеч от резонанса с честотите на колебания на електрическите заряди в атомите на материята.

ОПИСАНИЕ НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНАТА УСТАНОВКА

Експерименталната настройка, показана на фиг. 3а, се състои от 5 W лампа с нажежаема жичка, захранвана от стабилизирано напрежение от 0–12 V от източник на захранване VIP-O10. Светлината преминава през събирателна леща и попада на димни филтри (10 бр.). Всичките 10 филтъра са напълно еднакви, всеки с дебелина 7 mm и фиксирани по такъв начин, че да могат лесно да се отстраняват и поставят на пътя на лъчите, падащи върху PV фотоклетката. Токът, генериран от фотоклетката, се измерва с цифров микроамперметър със стойност на делението 10 -8 A. Това означава, че например показанието на инструментаI0= 5000 трябва да се счита заi= 50 μA. Тъй като токът през фотоклетката е пропорционален на интензитета на светлината и крайният резултат от интересуващия ни експеримент е естественият логаритъм на относителния интензитет, следователно, за удобство на изчисленията, ще вземем четирицифрени стойности от скалата на устройството и ще ги приемем като условни

бугер-ламбърт
овални стойности на интензитета на светлината (I0= 5000, 40 00, 3000 и т.н.)

ПРОЦЕДУРА НА РАБОТА

Отворете капака на филтърната кутия и завъртете с ръка всичките 10 филтъра на 90 към себе си, като ги отстраните от пътя на светлинните лъчи, падащи върху фотоклетката. внимание! Можете да докосвате само рамките на светлинните филтри, за да не изцапате оптичните им повърхности. стегнатизакачете капака на чекмеджето (фиг.3a).

Свържете захранващите кабели на устройството и източника на захранване VIP-010 към мрежата 220 V. Захранващият кабел на електрическата крушка (12 V; 5 W) трябва да бъде свързан към клемите "+" и "-" на един от изходите на източника VIP-010; Полярността на връзката за лампата няма значение. Завъртете регулатора на напрежението "грубо" и "плавно" наляво, докато спре (обратно на часовниковата стрелка). Поставете превключвателя за работа VIP-010 в положение "единично". (бутонът е натиснат).

Включете превключвателите "мрежа" на източника VIP-010 и устройството. В същото време мрежовият индикатор на източника VIP-010 трябва да светне, а скалата на микроамперметъра трябва да показва четири нули. Не използвайте "грубия" регулатор на източника VIP-010 в тази работа! Той трябва да бъде настроен на числото "10" по време на цялата операция. Регулаторът "плавно" се състои от два коаксиални потенциометъра - за макро- и микрорегулиране. Потенциометърът за макрорегулиране позволява регулиране на напрежението, подавано към лампата от нула до 12 V (на цифрата „10“ на „грубия“ регулатор), а микрорегулаторът (същият бутон) регулира в рамките на 0,03 - 0,11 V близо до стойността, зададена от макрорегулатора. Завъртете копчето "плавно" и усетете работата на два потенциометъра на една и съща ос.

С регулатора се настройва "плавно" показаниетоI0= 5000 по скалата на микроамперметъра при плътно затворен капак на кутията със светлинни филтри.

Отворете капака на кутията и с ръка поставете светлинен филтър №1 в зоната на светлинния лъч (фиг.3b). Затворете плътно капака на кутията и запишете показанията на уреда в таблицата.

Въведете последователно 2, 3, 4,. 10 светлинни филтъра и, плътно затваряйки капака, запишете показанията на устройството в таблицата.

Отстранете всички филтри от зоната на светлинните лъчи.

Задайте индикацията "плавно" с помощта на регулатораI0= 4000 на микроамперметъра и направете p.p. 5, 6, 7. Запишете показанията на уреда в таблицата. Направете същите стъпки 5, 6, 7 с указанияI0= 3000 иI0= 2000 и попълнете съответните редове от таблицата.

Брой цветни филтри "n" (бр.)