Физические явления при поглощении света

При прохождении света через вещество часть фотонов захватывается атомами вещества и световой поток ослабляется. Захват фотона может происходить вследствие фотоэффекта или вследствие возбуждения атома, при котором фотон переводит оптические электроны атома на более высокие энергетические уровни. Чем больше атомов и молекул встретится на пути светового потока, тем больше вероятность захвата фотона и тем больше поглощение света. Направим на плоскую поверхность цилиндра параллельный пучок света вдоль оси цилиндра ОХ (рис.). Пусть I ₀ – интенсивность падающего света. На расстоянии l от поверхности

Из этой формулы видно, что показатель поглощения k есть величина обратная толщине такого слоя вещества, который ослабляет интенсивность света в е раз (т. е. примерно в 2, 3 раза). Размерность показателя поглощения – м^–1

Уравнение носит название закона Бугера (по имени французского ученого Пьера Бугера, который установил этот закон опытным путем в 1729 г.).

Опыт показывает, что во многих случаях, когда свет поглощается молекулами вещества, растворенного в прозрачном растворителе, показатель поглощения пропорционален числу поглощающих свет молекул на единицу длины светового пучка, или, что то же, на единицу объема, т. е. пропорционален; концентрации раствора: k = aС, где a – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Эта зависимость была установлена в 1852 г. немецким ученым А. Бером. Подставляя значение в (5.17), получим закон Бугера –Бера I = I_oe^–aCl.

Следует, однако, отметить, что такая простая зависимость показателя поглощения от концентрации раствора наблюдается далеко не всегда.

Прологарифмировав равенство (5.21) и перейдя от натуральных логарифмов к десятичным, найдем значение показателя поглощения

Десятичный логарифм отношения интенсивности падающего на вещество света к интенсивности света, прошедшего через это вещество называют оптической плотностью вещества: D = lg(I₀/ I). Таким образом,

где мы обозначили aê 2, 3 = e.

Оптическая плотность раствора пропорциональна концентрации вещества в растворе и толщине слоя, в котором происходит поглощение. Оптическая плотность характеризует поглощающую способность вещества. Если свет поглощается сложной системой (например, биологической тканью), то общая величина оптической плотности такой системы равна сумме оптических плотностей составляющих ее компонентов, что объясняется независимостью акта поглощения фотонов одним компонентом от свойств другого компонента.

Отношение Т = I ê I ₀ называют коэффициентом пропускания. Очевидно, что D = lg(l ê T). Измерение коэффициента пропускания сводится к измерению интенсивностей света, падающего на измерительный прибор (фотоэлемент или фотоумножитель – ФЭУ), без исследуемого объекта (I ₀.) и после прохождения через объект (I).

Оптическая плотность, равная 1, соответствует пропусканию 0, 1 или 10%. Оптическая плотность, равная 2, соответствует 1% пропускания и т. д.

Показатель поглощения и оптическая плотность зависят от длины волны. Зависимость оптической плотности от длины волны называют спектром поглощения. График этой зависимости представляет собой кривую с максимумами в определенных интервалах длин волн, в которых происходит сильное поглощение света данным веществом. Эти интервалы называют полосами поглощения. У прозрачных тел (вода, стекло) полосы поглощения находятся в инфракрасной или в ультрафиолетовой части спектра. У белков максимум поглощения соответствует 250 нм,. у нуклеиновых кислот – 60 нм и т. п. У окрашенных тел полосы поглощения лежат (хотя бы частично) в.видимой части спектра. Так, зеленое тело поглощает свет во всех участках видимого спектра, кроме зеленого. Если же зеленое тело осветить, например, красным светом, то тело будет казаться «черным», так как красная часть спектра этим телом поглощается.

Если свет от источника, дающего сплошной спектр, пропустить через разреженный газ или пар, то на спектре появятся черные линии или полосы, соответствующие линиям или полосам спектра излучения данного газа или пара. Спектры поглощения объясняются законом Кирхгофа, согласно которому испускательная способность вещества при данной температуре и длине волны пропорциональна его поглощательной способности.

Многие растения имеют зеленую окраску, обусловленную хлорофиллом (точнее, несколькими видами хлорофилла – а, б и др.). Так, у хлорофилла а имеются две полосы поглощения в интервалах 400–440 нм и 600–630 нм, т, е. почти во всех участках видимого спектра, кроме зеленого и немного красного. Поэтому листья растений имеют зеленую окраску, слегка подкрашенную красным цветом, что хорошо известно художникам и было доказано К. А. Тимирязевым. Остальные участки спектра листья поглощают, и энергия поглощенного света расходуется на фотосинтез и частично на их нагревание.

Степень поглощения света веществом определяется его молекулярным составом. Иногда достаточно небольшого отличия в строении молекул двух веществ, чтобы вызвать существенные различия в степени поглощения ими света. Так, строение молекулы гема (красящего вещества гемоглобина) весьма сходно со строением молекулы хлорофилла а. Активные центры обеих молекул, захватывающие фотоны, состоят из порфириновых колец, однако в центре активной группы хлорофилла находится атом магния, а в молекуле гема – атом железа, который и определяет красную окраску крови вместо зеленой окраски листьев. Окраска минералов, а следовательно, и поглощение ими света зависят иногда от очень малых количеств примесей металлов железной группы (марганец, железо, хром). Особенно сильное влияние оказывает хром, который в связи с этим и получил свое название (греч. хрома – цвет). Так, при небольших примесях ионов Сг³⁺ к окиси алюминия А1₂О₃ получается красноватый минерал рубин, используемый в качестве активного вещества в лазерах. Интересно, что большие количества того же хрома вызывают окраску этого минерала в зеленый цвет (изумруд). Расположение полос поглощения и окраска вещества зависят также и от валентности входящих в него ионов примесей. Например, железо, входящее в состав минерала в виде Fe²⁺, окрашивает его в зеленый цвет, а железо в виде Fe³⁺ – в красный цвет.

В начале любого процесса взаимодействия света с веществом находится акт поглощения фотона электроном. Если энергия фотона больше работы выхода электрона из атома, то происходит фотоэффект, который приводит к ионизации атомов и разрывам химических связей между атомами в молекулах. Фотоны с меньшей энергией переводят атомные электроны из основного состояния на более высокие энергетические уровни, что приводит к возбуждению атомов и молекул. Однако атомы и молекулы, как правило, не могут долго находиться в возбужденном состоянии и передают избыточную энергию окружающей среде в одном из следующих процессов.

1. Безизлучательный переход в основное состояние, при котором энергия возбуждения передается окружающим молекулам и в конечном счете переходит в теплоту. Точно так же переходит в теплоту и энергия электронов, переведенных в основное состояние в результате фотоэффекта, если эти электроны остаются внутри облучаемого тела.

2. Фотохимическая реакция, т. е. реакция, обусловленная возбуждением молекулы фотоном или ионизацией молекулы при вылете из нее фотоэлектрона.

3. Люминесценция – переход электронов в основное состояние в молекуле с испусканием одного или последовательно нескольких фотонов.

Последние два процесса играют особенно важную роль в биофизике, и мы рассмотрим их более подробно.