Absorbţia, difuzia şi dispersia luminii
(tratare fenomenologică)
Absorbţia luminii
Lumina este absorbită la trecerea prin medii optice, în sensul că unda luminoasă pierde energie la parcurgerea mediului respectiv.
Absorbţia are un caracter selectiv, ea depinzând de natura mediului absorbant şi de lungimea de undă a undei luminoase, astfel, sticla nu absoarbe radiaţiile vizibile, dar absoarbe radiaţiile infraroşii şi ultraviolete, atmosfera prezintă câteva ferestre de transparenţă – în vizibil, domeniul radio şi o parte a domeniului infraroşu – pentru observaţii astronomice în domeniile de absorbţie receptorii trebuind să fie situaţi în spaţiul extraatmosferic.
Absorbţia explică culoarea corpurilor: astfel, corpurile transparente (filtre) absorb radiaţiile de toate lungimile de undă cu excepţia celor care determină culoarea filtrului, în timp ce corpurile opace absorb toate lungimile de undă cu excepţia celor reflectate şi care determină culoarea corpului.
Scăderea dI a intensităţii luminii la străbaterea unui strat absorbant elementar de grosime dx este proporţională cu grosimea stratului absorbant, cu intensitatea iniţială a fasciculului şi depinde de natura mediului şi de lungimea de undă a luminii (figura 7.1).
dI ~ I , dI ~ dx Þ dI = – kl×I×dx
(7. 1)
| Figura 7. 1 |
Relaţia (7.1) reprezintă legea Bouguer-Lambert, unde Il şi I0 sunt intensităţile fasciculului incident, respectiv emergent din mediul absorbant de grosime x şi kl coeficientul de absorbţie care depinde de lungimea de undă şi de natura mediului absorbant. Această relaţie, dedusă aici din considerente experimentale, este echivalentă cu relaţia (5.40), dedusă pe cale teoretică.
În cazul soluţiilor, trebuie să se ţină seama şi de concentraţia acestora, având în vedere faptul că absorbţia depinde şi de acest factor. Dacă se neglijează efectul solventului, intensitatea luminii după parcurgerea unui strat de grosime x dintr-o soluţie de concentraţie c, este:
(7. 2)
unde el este coeficientul de extincţie natural iar c concentraţia soluţiei.
Relaţia (7.2) reprezintă legea lui Beer, care se aplică la absorbţia luminii de către soluţii.
Raportul:
(7. 3)
se numeşte coeficient de transmisie, iar mărimea:
(7. 4)
se numeşte extincţie. Aceste două mărimi sunt folosite la studiul experimental al absorbţiei.
Analizele prin absorbţie se folosesc pentru determinarea concentraţiilor soluţiilor sau pentru studiul structurii mediilor absorbante, care absorb anumite lungimi de undă caracteristice.
Difuzia (împrăştierea) luminii
Difuzia este fenomenul datorită căruia razele de lumină care sunt invizibile într-un mediu transparent, devin vizibile dacă în mediu se află impurităţi microscopice (praf, fum, suspensii).
Fenomenul se explică prin producerea undelor secundare în mediul difuzant, a căror direcţie este diferită de a undei primare. Când frecvenţa undelor secundare este aceeaşi cu a undei primare, difuzia se numeşte difuzia elastică (difuzie Rayleigh), iar când frecvenţa undelor secundare este diferită de a undelor primare, difuzia se numeşte difuzie inelastică.
Difuzia este produsă de neomogenităţi sau fluctuaţii de densitate care apar în medii, având întinderi de ordinul 0,1 ÷ 10 l. Datorită transferului de energie către undele secundare, intensitatea undei primare scade. Notând cu k’ coeficientul de extincţie datorat difuziei şi considerând şi absorbţia undei, legea de atenuare a undei luminoase se scrie:
(7. 5)
Difuzia în medii tulburi
Mediile tulburi conţin particule fine în suspensie (fum, praf, ceaţă, emulsii).
| Figura 7. 2 |
Dacă dimensiunile particulelor în suspensie sunt de dimensiuni sub , se constată următoarele:
- când lumina incidentă este liniar polarizată, lumina difuzată este de asemenea liniar polarizată
- când lumina incidentă este nepolarizată, lumina difuzată pe direcţia luminii incidente este nepolarizată; lumina difuzată la 90° este liniar polarizată cu vectorul luminos într-un plan perpendicular pe planul determinat de direcţia undei incidente şi cea a undei difuzate; pentru unghiuri de difuzie între 0 şi 90°, lumina difuzată este parţial polarizată în acelaşi plan (figura 7.2)
- intensitatea luminii difuzate depinde de unghiul de difuzie, aşa cum se poate vedea în figura 3; ea este maximă pe direcţia razei incidente şi minimă pe direcţia perpendiculară pe aceasta, conform relaţiei:
| Figura 7. 3 |
- intensitatea luminii difuzate la 90° este invers proporţională cu puterea a patra a lungimii de undă (intensitatea undelor secundare este proporţională cu acceleraţia sarcinilor puse în mişcare de oscilaţie de unda incidentă, a ~ w2 , I ~ a2 ~ w2 ~ )
- când diametrul particulelor difuzante este mai mare sau egal cu lungimea de undă, intensitatea luminii difuzate este invers proporţională cu puterea a doua a lungimii de undă (difuzie Mie) şi scade cu dimensiunea particulelor difuzante.
Difuzia moleculară
Acest tip de difuzie se produce în medii omogene (fără particule în suspensie), în special în lichide şi gaze. Acestea difuzează lumina mult mai puţin decât mediile tulburi (este difuzată 10-6 ÷ 10-7 din intensitatea luminii incidente) Cauza acestui tip de difuzie o reprezintă fluctuaţiile de densitate care determină variaţii ale permitivităţii şi neregularităţi în orientarea moleculelor.
Culoarea albastră a cerului este datorată difuziei luminii solare, cauzată de fluctuaţiile de densitate ale aerului atmosferic, explicaţia fiind următoarea: cum intensitatea luminii difuzate este invers proporţională cu puterea a patra a lungimii de undă (difuzie Rayleigh) şi cum lungimea de undă a radiaţiei albastre este mai mică decât cea a radiaţiei roşii, rezultă că intensitatea radiaţiei difuzate în domeniul albastru este mai mare decât cea radiaţiei difuzate în domeniul roşu. Dacă în atmosferă există particule în suspensie (praf, picături de apă), predomină difuzia Mie.
Fenomenul de difuzie este folosit, printre altele, pentru determinarea temperaturii critice, ştiut fiind faptul că atunci când temperatura se apropie de cea critică, fluctuaţiile de densitate a lichidelor cresc, iar vaporii din apropierea lichidului devin tulburi (opalescenţă critică).
