Absorbție (optică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În fizică , absorbția este capacitatea unui material de a absorbi energia asociată cu radiația electromagnetică care se propagă în interiorul său. [1] Aceasta este energia fotonilor care este transferată către electroni , atomi și molecule ale materialului. În acest fel, energia câmpului electromagnetic este transformată în energie internă a materialului, cum ar fi energia termică a acestuia. De obicei intensitatea undei electromagnetice nu afectează absorbția (altfel vorbim de absorbție neliniară ), iar reducerea acesteia se mai numește atenuare .

Descriere

Absorbția depinde atât de natura materialului, cât și de frecvența radiației. Prin urmare, absorbția unui material este adesea utilizată pentru a cunoaște natura materialului în sine: spectrul său de absorbție indică frecvențele care sunt absorbite și permite, în principiu, identificarea atomilor și moleculelor care îl compun. Un caz important în absorbția radiației este corpul negru , în care radiația incidentă este complet absorbită (și nu există reflexie ).

Există mai multe cantități utilizate pentru a cuantifica absorbția radiațiilor:

Descriere microscopică

Conform mecanicii cuantice , energia particulelor constitutive ale materiei este cuantificată, adică poate presupune doar anumite valori discrete . Variația energiei electronilor , atomilor și moleculelor produce fenomene caracteristice pentru fiecare substanță, deoarece o distribuție caracteristică a nivelurilor de energie este asociată cu fiecare sistem molecular. Prin urmare, absorbția unei radiații este specifică pentru fiecare substanță și dă naștere unui spectru de absorbție caracteristic.

În condiții normale, o particulă se află în starea de energie minimă. Când o radiație lovește o particulă, dacă energia fotonică este egală cu diferența dintre energia stării excitate a particulelor și cea a stării de bază, radiația este absorbită și particula trece de la sol la starea excitată. Dacă luăm în considerare un electron pentru simplitate și presupunem că acesta poate fi în diferite niveluri de energie posibile, pentru a trece de la un nivel la una cu energie superioară trebuie să absoarbă o cantitate de energie exact egală cu:

Deoarece energia asociată cu radiația electromagnetică este definită de relația Planck :

unde este este frecvența radiației electromagnetice, dacă lungimea de undă a radiației este astfel încât apoi radiația este absorbită și electronul merge în starea excitată.

Cantitatea de lumină care este absorbită este o funcție a numeroaselor variabile. Pentru substanțele absorbante în soluție de concentrație scăzută s - a obținut așa-numita lege Lambert-Beer , care leagă absorbanța cu concentrația substanței absorbante:

unde este este calea optică, adică lungimea căii urmată de lumina din soluția care conține substanța absorbantă, concentrația acestei substanțe și un parametru caracteristic al substanței pentru lungimea de undă examinată.

Din punct de vedere fenomenologic, capacitățile materiei de a absorbi sau emite radiații sunt descrise prin coeficienți de absorbție sau de emisie. Atât absorbția, cât și emisia depind nu numai de natură, ci și de cantitatea de materie trecută, adică de cantitatea de materie pe unitate de suprafață.

Indicele de refracție și numărul de undă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: indicele de refracție .

Radiația luminii se deplasează la viteza maximă, numită viteza luminii , atunci când este în vid: indicele de refracție este raportul dintre viteza în vid și viteza în mediu. De obicei este indicat cu , și denotând cu viteza de propagare în material:

unde este este viteza luminii. Indicele de refracție depinde în general de frecvența radiației și este un număr complex strâns legat de permitivitatea electrică . În toate sistemele reale, indicele de refracție variază în funcție de frecvența undei incidente și, conform legii lui Snell, diferite unghiuri de refracție corespund frecvențelor diferite. Un exemplu binecunoscut al acestui fenomen este faptul că lumina albă (care conține toate componentele spectrale) este descompusă de o prismă .

Luați în considerare o undă electromagnetică plan monocromatică, care este scrisă în funcție de câmpul electric are forma:

unde este este amplitudinea și este frecvența unghiulară a undei.

Vectorul undei este , cu direcția de propagare e numărul de undă :

unde numărul:

este lungimea de undă a radiației atunci când se propagă în vid. Lungimea de undă din material și indicele de refracție în absența absorbției sunt date de:

unde este este viteza de fază , adică viteza la care se propagă crestele undei.

Când un material are absorbție, nu mai este posibil să se descrie indicele de refracție cu ajutorul unui număr real și este necesar să se definească un indice de refracție complex :

unde este cuantifică absorbția materialului, în timp ce partea reală este . Cantități Și acestea sunt legate de relația Kramers-Kronig . În acest caz, numărul de undă este, de asemenea, un număr complex :

Pentru a arăta asta cuantifică absorbția de energie a câmpului doar intră sau în expresie val:

unde este este coeficientul de absorbție și observăm că oferă o descompunere exponențială, așa cum a prezis Legea Beer-Lambert . Intensitatea undei este proporțională cu pătratul amplitudinii câmpului și având în vedere al doilea și ultimul termen al relației anterioare: [2]

adică:

de la care:

Mai mult, din moment ce , valul poate fi scris și ca:

și pentru cele spuse avem:

unde partea imaginară este uneori numită coeficient de extincție .

Constanta de propagare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Constanta de propagare .

Uneori se folosește constanta de propagare : [3] [4]

Comparând cele două relații, este clar că:

sau, mai exact:

Partea reală se numește constantă de atenuare , în timp ce partea imaginară se numește constantă de fază . [5]

În unele condiții particulare (de exemplu, în apropierea rezonanțelor de absorbție) este posibil ca este mai mică de 1. În aceste cazuri viteza fazei poate fi mai mare decât viteza luminii . Cu toate acestea, acest lucru nu încalcă relativitatea specială, deoarece viteza semnalului este viteza de grup care rămâne întotdeauna sub c .

Permitivitatea electrică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Permitivitatea electrică .

Permitivitatea electrică cuantifică tendința materialului de a contrasta intensitatea câmpului electric prezent în interiorul acestuia. De obicei este indicat cu simbolul , iar valoarea sa este de obicei scrisă ca produs permitivitate relativă și permitivitatea vidului , numită și constanta dielectrică a vidului . Pentru a descrie dependența sa de frecvența câmpului electric, se utilizează o funcție complexă , prin care este posibilă tratarea propagării câmpului electromagnetic în medii disipative (adică conductivitate finită) sau dispersive. Când se analizează permitivitatea din punctul de vedere al frecvenței câmpului, se observă că acesta poate prezenta un comportament anormal la anumite lungimi de undă. De fapt, partea imaginară a permitivității electrice urmează o tendință rezonantă la polii săi, unde prezintă unul sau mai multe vârfuri. La aceste vârfuri absorbția de către material a energiei deținute de câmp este maximă.

Luați în considerare un dielectric ne-ideal și un câmp electric oscilând cu frecvența , adică dependent de timp prin intermediul unui factor , și să presupunem că există molecule pe unitate de volum cu electroni masa fiecare. Dacă pe moleculă există electroni legați de o forță armonică cu frecvența și constanta de amortizare , expresia permitivității electrice este următoarea: [6]

unde este este susceptibilitatea electrică și:

Se remarcă faptul că în materialele conductoare frecvența este rezonant. Valoarea a este de obicei real, cu excepția intervalului apropiat de frecvențele rezonante, unde partea reală a numitorului se apropie de zero.

Acest model face posibilă distingerea a două tipuri de dispersie: dispersia normală este definită ca dispersie într-o regiune a spectrului departe de frecvențele de rezonanță, în care partea reală a crește odată cu creșterea , în timp ce dispersia anormală este definită ca dispersia în vecinătatea frecvențelor rezonante, în care partea reală a scade pe măsură ce . În acest caz, partea imaginară din este semnificativ: acest fenomen se numește absorbție rezonantă .

Uneori se întâmplă că : în acest caz materialul dă energie câmpului, iar acest fenomen este exploatat de exemplu în realizarea laserului .

Dependența permitivității electrice de frecvența câmpului este relevantă atunci când lungimea de undă relativă are același ordin de mărime ca și amplitudinea oscilației sarcinilor. O relație generală care leagă indicele de refracție de lungimea de undă a radiației este ecuația Sellmeier , în timp ce permitivitatea electrică și indicele de refracție sunt legate de relația: [7] [8]

unde este este permeabilitatea magnetică . Se aplică și următoarele relații:

Conductivitate

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Conductivitatea electrică .

Una dintre ecuațiile care caracterizează propagarea unei unde electromagnetice este Legea lui Ampère : [9]

cu câmpul magnetic , inducție electrică e densitatea curentului . Folosind legea lui Ohm și definiția permitivității: [10]

avem:

unde este este conductivitatea, o cantitate reală, dar dependentă de frecvență. Având în vedere dependența de timp sinusoidală a câmpurilor:

avem:

De sine nu este inclus în mod explicit (prin legea lui Ohm), ci doar implicit (prin permitivitate complexă), cantitatea dintre paranteze este permitivitatea și, prin urmare:

Rezultatele prezentate mai sus arată, de asemenea, că:

Aplicații

Optică

În optică , o porțiune de material care absoarbe lumina vizibilă se numește pigment . Dacă absoarbe toată unda de lumină incidentă, va apărea neagră, în timp ce dacă absoarbe doar anumite lungimi de undă, va apărea de aceeași culoare ca radiația pe care o reflectă. De exemplu, sticla lasă să treacă întregul spectru vizibil (de la 7800 Å la 3200 Å) în timp ce absoarbe razele UV și infraroșii îndepărtați ai vizibilului, în timp ce un smarald eliberează porțiunea vizibilă din jurul verdelui.

Astrofizică

În astrofizică studiul absorbției radiațiilor este important, deoarece datorită acesteia există limite mari în observațiile cerului datorită absorbției atmosferei terestre. Mai mult, radiația emisă de stele și alte obiecte stelare este adesea absorbită de nori de materie interstelară. În acest caz, poate exista o absorbție totală (iar materia interstelară care generează acest lucru se numește praf ) și apoi puteți vedea zone întunecate în imaginile realizate (faimos este exemplul galaxiei M104 numită și galaxia Sombrero), sau în la rândul său, materia interestelară poate retransmite radiații. Un caz important al celui de-al doilea tip este emisia generată de tranziția hiperfină a hidrogenului neutru al norilor, care generează o linie de emisie la 21 cm . Absorbția interstelară generează, de asemenea, o modificare a diagramei culoare-culoare, creând o schimbare a stelelor spre roșu. Aceste schimbări sunt atribuite absorbției diferențiale a luminii, care este mai relevantă în albastru decât în ​​roșu.

Notă

  1. ^ William West, Absorbția radiațiilor electromagnetice , AccessScience , McGraw-Hill. Adus la 8 aprilie 2013 .
  2. ^ Jackson, secțiunea 7.5.B
  3. ^ "Constanta de propagare", în ATIS Telecom Glossary 2007
  4. ^ Progrese în imagistica și fizica electronilor, volumul 92 , de PW Hawkes și B. Kazan, p.93
  5. ^ Transmisia și distribuția energiei electrice , de S. Sivanagaraju, p.132
  6. ^ Jackson , pagina 310 .
  7. ^ Griffiths, secțiunea 9.4.1
  8. ^ Jackson, Secțiunea 5.18A
  9. ^ Jackson, secțiunea 7.5C
  10. ^ Mencuccini, Silvestrini , pagina 143 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica