Поглощение

редактировать

В оптике поглощениеили декадное поглощение- это десятичный логарифм отношения падающей к передаваемой мощности излучения через материал, а спектральное поглощениеили спектральное декадное поглощениеявляется десятичным логарифмом отношение падающей к пропускаемой спектральной мощности излучения через материал. Абсорбция безразмерна и, в частности, не является длиной, хотя она является монотонно возрастающей функцией длины пути и приближается к нулю, когда длина пути приближается к нулю. Использование термина «оптическая плотность» для определения оптической плотности не рекомендуется. В физике вместо оптической плотности используется тесно связанная величина, называемая «оптическая глубина »: натуральный логарифм отношения падающей к передаваемой мощности излучения через материал. Оптическая толщина равна времени поглощения ln (10).

Термин поглощение относится к физическому процессу поглощения света, в то время как поглощение не всегда измеряет поглощение: оно измеряет затухание (передаваемой мощности излучения). Затухание может быть вызвано поглощением, а также отражением, рассеянием и другими физическими процессами.

Содержание

1 Математические определения
- 1.1 Абсорбция
- 1.2 Спектральная абсорбция
2 Связь с ослаблением
- 2.1 Ослабление
- 2.2 Коэффициент ослабления
3 Измерения
- 3.1 Логарифмический vs. прямо пропорциональные измерения
- 3.2 Диапазон измерения прибора
- 3.3 Метод измерения
4 Номер оттенка
5 См. также
6 Ссылки

Математические определения

Поглощение

Абсорбционная способностьматериала, обозначенного A, определяется как

A = log 10 ⁡ Φ ei Φ et = - log 10 ⁡ T, {\ displaystyle A = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}}}} = - \ log _ {10} T,}

{\ displaystyle A = \ log _ {10 } {\ frac {\ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}}}} = - \ log _ {10} T,}

где

Φ et {\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}}}

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}}}

- лучистый поток, передаваемый этим материалом ,

Φ ei {\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}}

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}}

- это лучистый поток, получаемый этим материалом,

T = Φ et / Φ ei {\ displaystyle T = \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}} / \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i} }}

{\ displaystyle T = \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}} / \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}}

- это коэффициент пропускания этого материала.

Коэффициент поглощения - это безразмерная величина. Тем не менее, единица поглощенияили AUобычно используется в ультрафиолетовой спектроскопии видимого диапазона и в ее высокоэффективной жидкостной хроматографии, часто в производные единицы, такие как миллиабсорбционная единица (мАЕ) или миллиабсорбционная единица-минуты (мАЕ × мин), единица абсорбции, интегрированная во времени.

Абсорбция связана с оптической толщиной по

A = τ ln ⁡ 10 = τ log 10 ⁡ e, {\ displaystyle A = {\ frac {\ tau} {\ ln 10}} = \ tau \ log _ {10} e \ ,,}

{\ displaystyle A = {\ frac {\ tau} {\ ln 10}} = \ tau \ log _ {10} e \ ,,}

где τ - оптическая толщина.

Спектральное поглощение

Спектральное поглощение на частотеи спектральное поглощение на длине волныматериала, обозначенное A ν и A λ соответственно задаются формулой

A ν = log 10 ⁡ Φ e, ν я Φ e, ν t = - log 10 ⁡ T ν, {\ displaystyle A _ {\ nu} = \ log _ {10} {\ гидроразрыв {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ nu} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ nu} ^ {\ text {t}} }} = - \ log _ {10} T _ {\ nu},}

{\ displaystyle A _ {\ nu} = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ nu} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ nu} ^ {\ text {t}}}} = - \ log _ {10} T _ {\ nu},}

A λ = log 10 ⁡ Φ e, λ я Φ e, λ t = - log 10 ⁡ T λ, {\ displaystyle A _ {\ lambda} = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda} ^ {\ text {t}}}} = - \ log _ {10} T _ {\ lambda},}

{\ displaystyle A _ {\ lambda} = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda} ^ {\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda} ^ {\ text {t}}}} = - \ log _ {10} T _ {\ lambda},}

где

Φe, ν - спектральный поток излучения в частота, передаваемая этим материалом,

Φe, ν - спектральный поток излучения на частоте, принимаемый этим материалом,

Tν- спектральный коэффициент пропускания на частоте этого материала,

Φe, λ - это спектральный поток излучения на длине волны, передаваемый этим материалом,

Φe, λ - спектральный поток излучения на длине волны h, полученное этим материалом,

Tλ- это спектральный коэффициент пропускания на длине волны этого материала.

Спектральное поглощение связано со спектральной оптической толщиной

A ν = τ ν ln ⁡ 10 = τ ν журнал 10 ⁡ е, {\ displaystyle A _ {\ nu} = {\ frac {\ tau _ {\ nu}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ nu} \ log _ {10} e \, ,}

{\ displaystyle A _ {\ nu} = {\ frac {\ tau _ {\ nu}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ nu} \ log _ {10 } е \ ,,}

A λ = τ λ ln ⁡ 10 = τ λ log 10 ⁡ е, {\ displaystyle A _ {\ lambda} = {\ frac {\ tau _ {\ lambda}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ lambda} \ log _ {10} e \ ,,}

{\ displaystyle A _ {\ lambda} = {\ frac {\ tau _ {\ lambda}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ lambda} \ log _ {10} e \ ,,}

где

τν- спектральная оптическая глубина по частоте,

τλ- спектральная оптическая глубина по длине волны.

Хотя поглощение правильно без единиц измерения, это иногда указывается в «условных единицах» или AU. Многие люди, в том числе научные исследователи, ошибочно формулируют результаты экспериментов по измерению оптической плотности в терминах этих созданных единиц.

Связь с затуханием

Аттенюция

Абсорбция - это число который измеряет ослабление передаваемой мощности излучения в материале. Затухание может быть вызвано физическим процессом «поглощения», а также отражением, рассеянием и другими физическими процессами. Поглощение материала примерно равно его, когда и поглощение намного меньше 1, и коэффициент излучения этого материала (не путать с выходная способность излучения или коэффициент излучения ) намного меньше. чем абсорбция. Действительно,

Φ et + Φ e att = Φ ei + Φ ee, {\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}} + \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {att}} = \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}} + \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {e}},}

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}} + \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {att}} = \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}} + \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {e}},}

где

Φe- мощность излучения, передаваемая этим материалом,

Φe- мощность излучения, ослабляемая этим материалом,

Φe- мощность излучения, принимаемая этим материалом,

Φe- мощность излучения, излучаемая этим материалом,

, что эквивалентно

T + ATT = 1 + E, {\ displaystyle T + {\ text {ATT}} = 1 + E,}

{\ displaystyle T + {\ text {ATT}} = 1 + E,}

, где

T = Φ e/Φe- это коэффициент пропускания этого материала,

ATT = Φ e/Φe- коэффициент затухания этого материала,

E = Φ e/Φe- коэффициент излучения этого материала,

и согласно Закон Бера – Ламберта, T = 10, поэтому

ATT = 1–10 - A + E ≈ A ln ⁡ 10 + E, если A ≪ 1, {\ displaystyle {\ text {ATT}} = 1-10 ^ {- A} + E \ приблизительно A \ ln 10 + E, \ quad {\ text {if}} \ A \ ll 1,}

{\ displaystyle {\ text {ATT }} = 1-10 ^ {- A} + E \ приблизительно A \ ln 10 + E, \ quad {\ text {if}} \ A \ ll 1,}

и, наконец,

ATT ≈ A ln ⁡ 10 , если E ≪ A. {\ displaystyle {\ text {ATT}} \ приблизительно A \ ln 10, \ quad {\ text {if}} \ E \ ll A.}

{\ displaystyle {\ text {ATT}} \ приблизительно A \ ln 10, \ quad {\ text {if}} \ E \ ll A. }

Коэффициент затухания

Поглощение материала также связано с его десятичным коэффициентом затухания на

A = ∫ 0 la (z) dz, {\ displaystyle A = \ int _ {0} ^ {l} a (z) \, \ mathrm { d} z,}

A = \ int _ {0} ^ {l} a (z) \, \ mathrm {d} z,

где

l - толщина материала, через который проходит свет,

a (z) - десятичный коэффициент ослабления этого материала в точке z.

Если a (z) равномерно вдоль трассы, затухание называется линейным затуханием, и соотношение становится

A = al. {\ displaystyle A = al.}

A = al.

Иногда соотношение задается с использованием молярного коэффициента затухания материала, то есть его коэффициента затухания, деленного на его молярную концентрацию :

A = ∫ 0 l ε c (z) dz, {\ displaystyle A = \ int _ {0} ^ {l} \ varepsilon c (z) \, \ mathrm {d} z,}

A = \ int _ {0} ^ {l} \ varepsilon c (z) \, \ mathrm {d} z,

где

ε - молярный коэффициент затухания этого материала,

c (z) - молярная концентрация этого материала в точке z.

Если c (z) однородна вдоль пути, соотношение становится

A = ε cl. {\ displaystyle A = \ varepsilon cl.}

A = \ varepsilon cl.

Использование термина «молярная поглощающая способность» для определения молярного коэффициента ослабления не рекомендуется.

Измерения

Логарифмические и прямо пропорциональные измерения

Количество света, проходящего через материал, уменьшается экспоненциально по мере прохождения через материал в соответствии с законом Бера – Ламберта (A = (ε) (l)). Поскольку поглощение образца измеряется как логарифм, оно прямо пропорционально толщине образца и концентрации поглощающего материала в образце. Некоторые другие показатели, связанные с поглощением, такие как коэффициент пропускания, измеряются как простое соотношение, поэтому они экспоненциально изменяются в зависимости от толщины и концентрации материала.

Поглощение: −log 10(Φe/Φe)	Коэффициент пропускания: Φ e/Φe
0	1
0,1	0,79
0,25	0,56
0,5	0,32
0,75	0,18
0,9	0,13
1	0,1
2	0,01
3	0,001

Диапазон измерения прибора

Любой реальный измерительный прибор имеет ограниченный диапазон по которой он может точно измерить оптическую плотность. Если показаниям можно доверять, прибор необходимо откалибровать и проверить по известным стандартам. Многие инструменты станут нелинейными (не соблюдают закон Бера – Ламберта), начиная примерно с 2 AU (~ 1% пропускания). Также трудно точно измерить очень малые значения поглощения (ниже 10) с помощью имеющихся в продаже инструментов для химического анализа. В таких случаях могут использоваться методы поглощения на основе лазера, поскольку они продемонстрировали пределы обнаружения, которые на много порядков превосходят пределы обнаружения, полученные с помощью обычных приборов, не основанных на лазере (обнаружение демонстрировалось полностью до 5 × 10). Теоретическая наилучшая точность для большинства имеющихся в продаже приборов без лазера достигается в диапазоне около 1 а.е. Затем, по возможности, следует отрегулировать длину пути или концентрацию для получения показаний, близких к этому диапазону.

Метод измерения

Как правило, поглощение растворенного вещества измеряют с помощью абсорбционной спектроскопии. Это включает в себя пропускание света через раствор и запись того, сколько света и какие длины волн были переданы на детектор. Используя эту информацию, можно определить длины волн, которые были поглощены. Во-первых, измерения на «бланке» проводятся с использованием только растворителя для справочных целей. Это сделано для того, чтобы известна абсорбция растворителя, а затем любое изменение абсорбции при измерении всего раствора происходит только за счет интересующего растворенного вещества. Затем производятся замеры раствора. Переданный спектральный поток излучения, который проходит через образец раствора, измеряется и сравнивается с падающим спектральным потоком излучения. Как указано выше, спектральное поглощение на данной длине волны составляет

A λ = log 10 (Φ e, λ i Φ e, λ t). {\ displaystyle A _ {\ lambda} = \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {\ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} ^ {\ mathrm {i}}} {\ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} ^ {\ mathrm {t}}}} \ right) \ !.}

A _ {\ lambda} = \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {\ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda} ^ {\ mathrm {i}}} {\ Phi _ { \ mathrm {e}, \ lambda} ^ {\ mathrm {t}}}} \ right) \ !.

Спектр поглощения нанесен на график зависимости поглощения от длины волны.

A УФ-видимый спектрофотометр сделает все это автоматически. Для использования этой машины растворы помещаются в небольшую кювету и вставляются в держатель. Аппарат управляется с помощью компьютера, и после его «гашения» автоматически отображает абсорбцию в зависимости от длины волны. Получение спектра поглощения раствора полезно для определения концентрации этого раствора с использованием закона Бера-Ламберта и используется в ВЭЖХ.

Номер оттенка

Некоторые фильтры, в частности сварочные стекла, оцениваются по номеру оттенка (SN), который в 7/3 раза превышает оптическую плотность плюс один:

SN = 7 3 A + 1, {\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac { 7} {3}} A + 1,}

{\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac {7} {3}} A + 1, }

или

SN = 7 3 (- log 10 ⁡ T) + 1. {\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac {7} { 3}} (- \ log _ {10} T) +1.}

{\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac {7} {3 }} (- \ log _ {10} T) +1.}

Например, если фильтр имеет коэффициент пропускания 0,1% (коэффициент пропускания 0,001, что составляет 3 единицы поглощения), его номер оттенка будет 8.

См. Также

Ссылки