Основные законы светопоглощения. Оптическая плотность

Поглощающие свойства среды описываются такими характеристиками, как:

Ø интенсивность прошедшего светового потока I,

Ø относительная интенсивность или пропускание Т = , где - интенсивность исходного светового потока;

Ø мольный коэффициент светопоглощения ()

Ø оптическая плотность или абсорбционность (D или А).

Под оптической плотностью (абсорбционностью) понимают показатель относительной интенсивности света, который рассчитывается по формуле (8.8)

А = - log T или А = - log (8.8)

Экспериментальное изучение поглощающих свойств среды показало, что он напрямую зависит от толщины поглощающего слоя l, молярной концентрации центров поглощения (центров окраски) С и индивидуальных свойств самого вещества, которые характеризует мольный коэффициент светопоглощения . Мольным коэффициентом светопоглощения называют оптическую плотность вещества с концентрацией 1моль/л при толщине поглощающего слоя l = 1 см.

Опытным путем было установлено, что поглощающие свойства среды для данной длины волны прямо пропорциональны толщине слоя и концентрации вещества. Эти закономерности в классической оптике известны как законы светопоглощения (1-й и 2-й законы фотометрии).

1-й закон фотометрии. Каждый тонкий слой постоянной толщины внутри однородной среды поглощает одинаковую долю падающего на него светового потока.

2-й закон фотометрии. Доля светового потока, поглощенная данным тонким слоем внутри однородной среды, пропорциональна числу светопоглощающих частиц в единице объема, т.е. концентрации центров поглощения.

Эти законы впервые сформулированы в 1729 г. физиком П. Бугером применительно к поглощению света атмосферой и цветными стеклами. Позднее, в 1760 г., И. Ламберт дал математическую интерпретацию, а в 1852 г. А. Бер и Ф. Бернард независимо друг от друга подтвердили их справедливость для окрашенных растворов, выведя объединенный закон, который получил название «Основногозакона светопоглощенияБугера – Ламберта – Бера – Бернарда» или закона Бугера – Ламберта – Бера:

(8.9)

где I - интенсивность монохроматического излучения, прошедшего сквозь слой вещества толщиной l (см) и - интенсивность исходного излучения, С - молярная концентрация центров поглощения (моль/л) и () - мольный коэффициент светопоглощения при данной длине волны.

Согласно основному закону светопоглощения, интенсивность монохроматического излучения, прошедшего через однородный поглощающий слой уменьшается по экспоненциальному закону. Существует несколько вариантов его формулировок. Так, с учетом определения оптической плотности, получаем:

А = - log = (8.10)

Исходя из закона Бугера – Ламберта– Бера, можно сформулировать следствия, характеризующие основные свойства оптической плотности.

Следствие 1. Оптическая плотность среды при постоянной толщине слоя для монохроматического излучения прямо пропорциональна концентрации вещества

Следствие 2. Оптическая плотность среды при постоянной концентрации веществ для монохроматического излучения прямо пропорциональна толщине поглощающего слоя.

Следствие 3или закон аддитивности (основное свойство оптической плотности).

Оптическая плотность среды равна сумме оптических плотностей всех ее компонентов.

А = = (8.11)

где А – оптическая плотность среды при данной длине волны; - оптическая плотность отдельного компонента, например, растворителя.

Следствие 4. Различие оптических плотностей веществ, при равных значениях толщины слоя и концентрации, определяется поглощающими свойствами самих веществ (их мольными коэффициентами светопоглощения).

8.4.2 Измерение поглощения света.

При прохождении белого света через окрашенные среды (растворы, полимерные материалы, пленки или стекла) меняются его свойства. Если концентрация вещества мала, то наблюдается только изменение цветности луча и интенсивности излучения (поглощение света). Чтобы оценить влияние свойств поглощающей среды на характер излучения необходимо:

во-первых – определить, как взаимосвязаны между собой концентрация поглощающих центров и изменение интенсивности светового потока;

во-вторых – какова зависимость изменения интенсивности света при постоянных свойствах среды от длины волны излучения;

в-третьих – с помощью каких оптических параметров и как можно охарактеризовать поглощающие свойства среды.

Для решения этих задач применяются различные модели устройств, позволяющих измерять оптическую плотность среды в монохроматическом свете – фотоколориметры и спектрофотометры. По конструкции они бывают однолучевыми (например, электроколориметр КФК; спектрофотометр СФ-46) и двухлучевыми с автокомпенсацией поглощения растворителя (ФЭК - фотоэлектроколориметр). Внешний вид этих приборов представлен на рисунках 8.32 – 8.34. Для получения монохроматического излучения в ФЭКах применяют специальные устройства, называемые светофильтрами. Под светофильтром понимают стеклянное или пластиковое приспособление с высоким избирательным пропусканием, которое позволяет выделять узкую область видимого спектра. В спектрофотометрах для этой цели применяют более точные устройства, называемые монохроматорами. В монохроматорах с помощью призм или дифракционных решеток белое излучение разлагается в непрерывный спектр, из которого щелью вырезается узкий монохроматический участок спектра.