Закон Бугера - ослабление интенсивности параллельного монохроматического пучка света кратко

физический закон, определяющий ослабление интенсивности параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон носит название, связанное с именами немецких физиков Августа Бэра , Иоганна Ламберта и французского астронома Пьера Бугера .

Закон выражается следующей формулой:

,

где — интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной , — интенсивность света на входе в вещество, — показатель поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения , который связан с формулой , где — длина волны)

Показатель поглощения определяется свойствами вещества и в общем случае зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Тело представляется в виде сплошного однородного вещества. Для этого определяются и , а также

Рисунок 2.

В принципе можем представить как частотные волновые числа, согласно закону Бугера:

K=ReK+ImK, .

Согласно закону Бугера удобство этого закона в том, что входная и выходная интенсивности рассматриваются первичные параметры, а вторичные параметры и рассматриваются как четырехполюсник.

.

Из этого выражения следует, что волна, пройдя через среду, имеет некоторые затухание и фазовый сдвиг:

Рисунок 3.

,

где правое выражение распадается на два условия: баланс амплитуд и баланс фаз, и будет равно единице в том случае, если:

1) - баланс амплитуд;

2) , где m=0,1,2,3…,а 2l – полный проход в лазерном приборе.

История

Закон был открыт Пьером Бугером до 1729 года, когда он смотрел на красное вино во время короткого отпуска в Алентежу , Португалия . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это часто приписывается Иоганн Генрих Ламберт , который привел Бугера ESSAI d'OPTIQUE сюр - ла - де - ла - градаций Lumiere (Claude Jombert, Париж, 1729) -и даже цитаты из него в его Photometria в 1760. Ламберт Закон заявил, что потеря интенсивности света при его распространении в среде прямо пропорциональна интенсивности и длине пути. Намного позже августовское пивообнаружил другое соотношение затухания в 1852 году. Закон Бера гласил, что коэффициент пропускания раствора остается постоянным, если произведение концентрации и длины пути остается постоянным. Современный вывод закона Бера-Ламберта объединяет два закона и коррелирует оптическую плотность, которая представляет собой отрицательный десятичный логарифм пропускания, как с концентрацией ослабляющих частиц, так и с толщиной образца материала.

Виды переходов.

1. Индуцированные переходы.

При переходе с нижнего уровня на верхний имеет место поглощение света. При обратном переходе – индуцированное излучение.

Рисунок 4.

Частота, фаза возбужденного поля полностью совпадают с возбужденным излучением (спонтанное излучение входного сигнала). Для двухуровневой системы активное поглощение и возбуждение будут происходить с вероятностью . Индуцированное излучение возможно при наличии внешнего поля.

2. Спонтанные переходы.

Рисунок 5.

Это не связано с внешним полем, а определяется вероятностью естественной жизни частицы на верхнем уровне . Постоянная времени определяет ширину зоны спонтанного излучения Спонтанное излучение ухудшает частоту спектра.

3. Безизлучаемые переходы.

Рисунок 6.

Они характеризуются тем, что возбуждаемые частицы касаются ограниченного объема разрядной трубки и отдают ей энергию. Температура их падает. Оптимальное соотношение диаметра трубки и плазмы для геленеоновой трубки имеет 8 мм. Чтобы получить большую мощность лазер сжимают магнитным полем.

Поглощение света растворами

Для растворов поглощающих веществ в непоглощающих свет растворителях показатель поглощения может быть записан как

,

где — коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего растворенного вещества со светом с длиной волны λ, — концентрация растворенного вещества, моль/л.

Утверждение, что не зависит от , называется законом Бера (не путать с законом Бэра). Этот закон предполагает, что на способность молекулы поглощать свет не влияют другие окружающие ее молекулы этого же вещества в растворе. Однако, наблюдаются многочисленные отклонения от этого закона, особенно при больших .

Иллюстрация уменьшение интенсивности света в жидкости. Рассеянный свет от зеленого луча лазера уменьшается с глубиной.

Применение

Химический анализ спектрофотометрией

Закон Бера-Ламберта может применяться к анализу смеси с помощью спектрофотометрии без необходимости обширной предварительной обработки образца. Примером может служить определение билирубина в образцах плазмы крови. Спектр чистого билирубина известен, поэтому известен молярный коэффициент ослабления ε . Измерения декадного коэффициента затухания μ ₁₀ выполняются на одной длине волны λ, которая почти уникальна для билирубина, и на второй длине волны для корректировки возможных помех. Величина концентрации c определяется выражением

В качестве более сложного примера рассмотрим смесь в растворе, содержащую два компонента при количественных концентрациях c ₁ и c ₂ . Десятичный коэффициент затухания на любой длине волны λ определяется выражением

Следовательно, измерения на двух длинах волн дают два уравнения с двумя неизвестными, и их будет достаточно для определения количественных концентраций c ₁ и c _2, если известны молярные коэффициенты затухания двух компонентов ε ₁ и ε ₂ на обеих длинах волн. Эти две системы уравнения могут быть решены с помощью правила Крамера . На практике лучше использовать линейный метод наименьших квадратов для определения двух количественных концентраций из измерений, проведенных на более чем двух длинах волн. Смеси, содержащие более двух компонентов, могут быть проанализированы таким же образом, используя минимум N длин волн для смеси, содержащейN компонентов.

Закон широко используется в инфракрасной спектроскопии и ближней инфракрасной спектроскопии для анализа разложения и окисления полимеров (в том числе в биологических тканях), а также для измерения концентрации различных соединений в различных образцах пищевых продуктов . Карбонильная группа затухание около 6 микрометров можно обнаружить довольно легко, и степень окисления полимера , рассчитанный.

Применение для атмосферы

Этот закон также применяется для описания ослабления солнечного или звездного излучения при его прохождении через атмосферу. В этом случае происходит не только поглощение, но и рассеяние излучения. Оптическая глубина для наклонной трассы равна τ ′ = mτ , где τ относится к вертикальной трассе, m называется относительной воздушной массой , а для плоскопараллельной атмосферы она определяется как m = sec θ, где θ - зенитный угол, соответствующий по заданному пути. Закон Бера – Ламберта для атмосферы обычно записывают

где каждый τ _x - это оптическая толщина, индекс которой определяет источник поглощения или рассеяния, которое он описывает:

• а относится к аэрозолям (которые поглощают и рассеивают);
• g - однородно смешанные газы (в основном углекислый газ (CO ₂ ) и молекулярный кислород (O ₂ ), которые только поглощают);
• NO ₂ - это диоксид азота , в основном из-за городского загрязнения (только абсорбция);
• RS - эффекты, обусловленные комбинационным рассеянием света в атмосфере;
• w - поглощение водяного пара ;
• O ₃ - озон (только абсорбция);
• r - рэлеевское рассеяние от молекулярного кислорода (O ₂ ) и азота (N ₂ ) (ответственного за синий цвет неба);
• Выбор аттенюаторов, которые необходимо учитывать, зависит от диапазона длин волн и может включать различные другие соединения. Это может включать тетракислород , HONO , формальдегид , глиоксаль , ряд радикалов галогена и другие.

m - оптическая масса или фактор воздушной массы , член, приблизительно равный (для малых и умеренных значений θ ) 1 / cos θ , где θ - зенитный угол наблюдаемого объекта (угол, измеренный от направления, перпендикулярного поверхности Земли на наблюдательная площадка). Это уравнение можно использовать для определения τ _a , оптической толщины аэрозоля , которая необходима для коррекции спутниковых изображений, а также важна для учета роли аэрозолей в климате.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Фотоседиментацийний анализ
• сопоставление абсорбансив
• Прикладная спектроскопия
• Квантовая биофизика