Absorpcja
Absorpcja to w optyce proces, w którym substancja pochłania energię fali elektromagnetycznej. Intensywność światła przechodzącego przez dany materiał zmniejsza się nie tylko wskutek absorpcji, ale także z powodu rozpraszania światła. Podczas gdy promieniowanie rozproszone opuszcza ciało, energia zaabsorbowana znika, co prowadzi do wzrostu energii wewnętrznej tego ciała.
Mechanizm absorpcji
Proces absorpcji światła (promieniowania elektromagnetycznego) jest wyjaśniany przez mechanikę kwantową, która postrzega światło jako strumień cząstek elementarnych, zwanych fotonami. Foton może być pochłonięty tylko w całości, zgodnie z zasadami zachowania energii. Z zasady zachowania energii wynika, że energia fotonu, zależna od częstotliwości światła ν (wyrażona wzorem:
{\displaystyle \nu }) jest przekazywana materii:
{\displaystyle \Delta E=h\nu =h{\frac {c}{\lambda }}=hc{\overline {\nu }},}
gdzie:
- h – stała Plancka,
- c – prędkość światła w próżni,
- λ – długość fali, która jest absorbowana,
- {\overline {\nu }} – liczba falowa,
- ν – częstość drgań.
Foton, który niesie określoną energię, może oddziaływać z cząstkami materii, które wzajemnie oddziałują elektromagnetycznie, na przykład elektron oddziałujący z jądrem atomu. Swobodna cząstka, która nie oddziałuje elektromagnetycznie, np. elektron swobodny, nie może pochłonąć fotonu z uwagi na zasady zachowania pędu i energii, ale może zyskać część energii w procesie rozpraszania niesprężystego Comptona. Gdy energia fotonu jest równa różnicy energii pomiędzy dowolnymi stanami wzbudzonymi elektronu a jego stanem podstawowym, foton zostanie pochłonięty. W przeciwnym razie foton przejdzie przez substancję bez przeszkód lub zostanie rozproszony. Energia między stanami w układzie zależy od jego wewnętrznych i zewnętrznych oddziaływań oraz ruchu (efekt Dopplera). Po absorpcji fotonu atom przechodzi w stan wzbudzenia, który ma wyższą energię niż stan przed absorpcją. Wzbudzone atomy powracają do stanu podstawowego, oddając energię innym atomom lub przez emisję fotonu. Układ poziomów energetycznych elektronów w atomach, czas życia stanów wzbudzonych oraz proces absorpcji wynikają z zasad mechaniki kwantowej.
Absorpcja w gazach atomowych
W zimnych i rozrzedzonych gazach atomowych poziomy energetyczne związane ze stanami wzbudzenia leżą stosunkowo daleko od siebie. W związku z tym substancje te są w stanie pochłaniać jedynie niektóre fotony o ściśle określonych energiach. Gdy widmo padającego światła jest ciągłe, wówczas w tym widmie powstają ciemne linie. Po raz pierwszy zjawisko absorpcji zostało zauważone w widmie słonecznym przez Fraunhofera, a jego poprawne wyjaśnienie przedstawili Bunsen i Kirchhoff. Możliwa jest także absorpcja przez wzbudzone atomy (absorpcja ze stanów wzbudzonych).
Absorpcja w gazach cząsteczkowych
W przypadku cząsteczek układ poziomów energetycznych elektronów jest bardziej złożony, ponieważ obok poziomów związanych z konfiguracją elektronów występują także poziomy oscylacyjne, związane z drganiami atomów wewnątrz cząsteczki, oraz poziomy rotacyjne, związane z obrotami całej cząsteczki. Poziomy energetyczne są tak blisko siebie, że zlewają się w całe pasma o danym zakresie energii.
Wykorzystanie zjawiska absorpcji
Dzięki absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma padającego światła usuwane są fotony o określonej częstotliwości. Na tej podstawie można określić, przez jakie substancje przeszło światło. Zjawisko to jest wykorzystywane do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy oraz obłoków gazowych we Wszechświecie. Zajmuje się tym spektroskopia absorpcyjna.
Wielkości charakteryzujące absorpcję światła
Ilościową miarą absorpcji są absorbancja promieniowania oraz transmitancja.
Zdolność absorpcyjna
Ułamek światła pochłoniętego przez substancję.
Absorbancja
Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Bouguera, które mówi, że intensywność światła zmienia się wykładniczo wraz z grubością substancji. Aby uprościć obliczenia, wprowadzono pojęcie absorbancji, znanej również jako gęstość optyczna. Oznacza się ją symbolem ABS lub A.
Absorbancja jest miarą absorpcji promieniowania, wyrażoną wzorem:
{\displaystyle ABS=\log \left({\frac {I_{0}}{I}}\right),}
gdzie:
- I₀ – natężenie światła padającego,
- I – natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek.
Absorbancja naturalna, wyrażona wzorem:
{\displaystyle \varepsilon =\ln \left({\frac {I_{0}}{I}}\right),}
nazywana jest również ekstynkcją promieniowania elektromagnetycznego.
Transmitancja
Transmitancja wskazuje, jaka część promieniowania padającego została przepuszczona przez substancję. Wyraża się ją wzorem:
{\displaystyle T={\frac {I}{I_{0}}}.}
Można ją również przedstawić w procentach:
{\displaystyle T\left[\%\right]={\frac {I}{I_{0}}}\cdot 100\%.}
Absorbancja jest powiązana z transmitancją wzorem:
{\displaystyle ABS=-\log(T).}