23. Oddziaływanie światła z materią.

Oddziaływanie światła (rozumianego tu jako strumień fotonów) z materią (czyli

zbiorem atomów lub cząsteczek) opisujemy przy pomocy następujących procesów:

• emisji spontanicznej, w wyniku której foton emitowany jest samorzutnie przez

wzbudzony atom. Układ kwantowy znajdujący się w stanie wzbudzonym o energii En

przechodzi do stanu podstawowego E , emitując przy tym kwant promieniowania o

m

energii E = hv. Promieniowanie emitowane podczas przechodzenia spontanicznego w

danym zbiorze atomów jest przypadkowe i nieskoordynowane, dlatego nie jest ono spójne.

Można je porównać do promieniowania emitowanego przez klasyczne źródło światła

(żarówka).

• emisji wymuszonej, w wyniku której foton oddziałujący ze wzbudzonym

atomem wymusza emisję identycznego fotonu przez ten atom. Działa ona pod wpływem

zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego, którego częstotliwość musi być

odpowiednio dobrana. Układ kwantowy znajdujący się w stanie wzbudzonym o energii En

po pochłonięciu porcji energii hv, przechodzi do stanu podstawowego E z emisją m

promieniowania o energii E =2hv. Zamiast jednego kwantu wchodzącego do układu mamy na jego wyjściu dwa jednakowe kwanty energii, co oznacza wzmocnienie promieniowania.

• absorpcji, w wyniku której foton zostaje pochłonięty przez atom, a ten przechodzi w stan wzbudzony.

W powyższym opisie założyliśmy, że ośrodek jest idealnie jednorodny, a co za tym idzie

pominęliśmy rozpraszanie światła, czyli chaotyczną zmianę kierunku propagacji światła

wskutek oddziaływania z zawartymi w ośrodku cząstkami (centrami) rozpraszającymi.

Założenie to jest dobrze spełnione m.in. w gazach nie zawierających pyłów i kropelek

cieczy, dokładnie przefiltrowanych cieczach, szkłach wysokiej jakości i dalej będziemy z

niego korzystać.

Aby światło było absorbowane przez materię energia fotonów musi odpowiadać różnicy

energii poziomów energetycznych w atomach lub cząsteczkach, z którymi oddziałuje

(energia fotonów jest bezpośrednio związana z długością fali światła lub, inaczej mówiąc, z jego barwą). Wykorzystuje się to do identyfikacji nieznanych substancji, poprzez badanie absorpcji światła o różnych długościach fali w próbkach tych substancji – jest to tzw.

absorpcyjna analiza spektroskopowa.

O tym jak silnie światło jest absorbowane przez ośrodek, decydują dwa czynniki:

1. własności materii, czyli to „jak chętnie” atomy lub cząsteczki absorbują światło, 2. ilość materii absorbującej światło.

Pierwszy czynnik opisywany jest tzw. współczynnikiem absorpcji α, natomiast drugi –

tzw. koncentracją c, czyli liczbą atomów lub cząsteczek znajdujących się w określonej objętości. Możemy to sobie wyobrazić na przykładzie barwnika rozpuszczanego w

bezbarwnej cieczy (np. wodzie) – roztwór taki będzie tym ciemniejszy (czyli tym bardziej

będzie absorbował światło) im silniej sam barwnik będzie absorbował światło oraz im

więcej barwnika rozpuścimy. Fakt ten pozwala mierzyć stężenia różnych substancji

rozpuszczonych w cieczach (np. zanieczyszczeń wody) poprzez badanie absorpcji takiego

roztworu.

Ilość materii, z którą oddziałuje światło, zależy oczywiście również od drogi, którą światło przebywa w ośrodku. Jeśli światło przechodzi przez ośrodek o pewnej grubości, to

intuicyjnie wyczuwamy, że im grubszy jest ten ośrodek, tym więcej światła zostanie

zaabsorbowane.

W tym miejscu potrzebujemy wielkości, która pozwoli jednoznacznie określać „ilość

światła”. Nazywamy ją natężeniem światła, a definiujemy jako moc fali świetlnej

padającej na jednostkę powierzchni – natężenie światła wyrażamy więc w [

].

Zazwyczaj (to jest nie przy bardzo dużych natężeniach światła) mamy do czynienia z tzw.

liniową absorpcją światła, to znaczy natężenie światła zaabsorbowanego przez ośrodek o

danej grubości jest wprost proporcjonalne do natężenia światła padającego na ten ośrodek.

Nie znaczy to jednak, że natężenie światła zaabsorbowanego przez ośrodek jest

wprost proporcjonalne do jego grubości!

Postarajmy się to zrozumieć wyobrażając sobie następującą sytuację: weźmy płytkę o

pewnej grubości, np. l = 1 cm, która absorbuje światło monochromatyczne o wybranej długości fali tak, że ½ natężenia światła padającego na tę płytkę zostaje w niej

zaabsorbowana, a ½ przechodzi przez nią. Jakie będzie natężenie światła przechodzącego

przez płytkę o grubości dwa razy większej, czyli 2 cm? Oczywiście nie dwa razy mniejsze,

bo to by oznaczało, że przez płytkę nie przejdzie już żadne światło! Taką płytkę możemy

podzielić w wyobraźni na dwie płytki o grubości 1 cm: po przejściu przez pierwszą z nich

pozostanie ½ początkowego natężenia światła, a po przejściu przez drugą – ½ z ½ czyli ¼

początkowego natężenia światła (schematycznie jest to przedstawione na rys. 1).

Dodanie do grubości ośrodka l pewnej wartości ∆ l odpowiada pomnożeniu ułamka opisującego, jaka część natężenia światła przechodziła przez ośrodek o grubości l przez ułamek opisujący jaka część natężenia światła przechodzi przez ośrodek o dodawanej

grubości ∆ l. Ta własność absorpcji nazywana jest prawem Lamberta – Beera.

Chcielibyśmy jeszcze wyrazić to prawo matematycznie. Musimy zatem znaleźć funkcję,

która opisuje zależność natężenia światła przechodzącego przez ośrodek od jego grubości,

czyli ma opisane powyżej własności. Jest to funkcja wykładnicza (przypomnienie

podstawowych informacji o tej funkcji znajduje się w Dodatku A), którą wyrażamy

następującym wzorem (jeśli jesteś zainteresowany ścisłym wyprowadzeniem wzoru zajrzyj

do Dodatku B):

,

gdzie I( l) to natężenie światła po przejściu przez ośrodek o grubości l, w którym znajduje się substancja absorbująca światło o współczynniku absorpcji α i koncentracji c, natomiast I to natężenie światła padającego na ten ośrodek. e to tzw. podstawa logarytmu

0

naturalnego w przybliżeniu równa 2,718.

Korzystając z tego równania trzeba pamiętać o jednostkach poszczególnych

wielkości fizycznych:

• l mierzymy oczywiście w metrach [m],

• c wyrażamy w „sztukach” na m3 [1/m3],

• α wyrażamy natomiast w m2, tak, aby cały iloczyn α c l był wielkością

bezwymiarową, bo tylko taki może być argument funkcji wykładniczej.