Абсорбция

В оптике , поглощение или декадное поглощение является логарифмом отношения падающего к передаваемой мощности излучения через материал, и спектральное поглощение или спектральное поглощение декадного является общим логарифмом отношения падающего к переданной спектральной мощности излучения через материал. ^[1] 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. Не рекомендуется использовать термин «оптическая плотность» для определения оптической плотности.^[1]

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

Математические определения [ править ]

Поглощение [ править ]

Впитывающая способность материала, обозначенного A , определяется как ^[1]

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

куда

${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {е}} ^ {\ текст {т}}}$это поток излучения передается с помощью этого материала,

${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {е}} ^ {\ текст {я}}}$это поток излучения , полученный с помощью этого материала,

${\ displaystyle T = \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {t}} / \ Phi _ {\ text {e}} ^ {\ text {i}}}$коэффициент пропускания этого материала.

Абсорбция - безразмерная величина. Тем не менее, единица абсорбции или AU обычно используется в спектроскопии ультрафиолетового и видимого диапазонов и ее применениях в высокоэффективной жидкостной хроматографии , часто в производных единицах, таких как миллиопоглощающая единица (mAU) или миллиопоглощающая единица-минуты (mAU × min). , единица абсорбции, интегрированная во времени. ^[2]

Абсорбция связана с оптической глубиной соотношением

${\ Displaystyle A = {\ гидроразрыва {\ tau} {\ ln 10}} = \ tau \ log _ {10} e \ ,,}$

где τ - оптическая толщина.

Спектральное поглощение [ править ]

Спектральное поглощение по частоте и спектральное поглощение по длине волны материала, обозначенное A _ν и A _λ, соответственно, даются как ^[1]

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

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

куда

Φ _{e, ν} ^t - спектральный поток излучения на частоте, передаваемый этим материалом,

Φ _{e, ν} ⁱ - спектральный поток излучения на частоте, принимаемый этим материалом,

T _ν - спектральный коэффициент пропускания по частоте этого материала,

Φ _{e, λ} ^t - спектральный поток излучения на длине волны, передаваемый этим материалом,

Φ _{e, λ} ⁱ - спектральный поток излучения на длине волны, принимаемый этим материалом,

T _λ - спектральный коэффициент пропускания на длине волны этого материала.

Спектральное поглощение связано со спектральной оптической глубиной соотношением

${\ Displaystyle A _ {\ nu} = {\ frac {\ tau _ {\ nu}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ nu} \ log _ {10} e \ ,,}$

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

куда

τ _ν - спектральная оптическая толщина по частоте,

τ _λ - спектральная оптическая толщина в длине волны.

Хотя абсорбция в действительности является безразмерной, она 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 искусственно созданных единиц. ^[3]

Связь с затуханием [ править ]

Аттенюанс [ править ]

Поглощение - это число, которое измеряет ослабление передаваемой мощности излучения в материале. Затухание может быть вызвано физическим процессом «поглощения», а также отражением, рассеянием и другими физическими процессами. Абсорбция из материала приблизительно равна его attenuance ^{[ разъяснение необходимости ]} , когда оба оптической плотность значительно меньше , чем 1 , а излучательные этого материала (не следует путать с лучистой светимостью или излучательным ) намного меньше , чем поглощение. В самом деле,

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

куда

Φ _e ^t - мощность излучения, передаваемая этим материалом,

Φ _e ^att - мощность излучения, ослабляемая этим материалом,

Φ _e ⁱ - мощность излучения, получаемая этим материалом,

Φ _e ^e - мощность излучения, излучаемая этим материалом,

что эквивалентно

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

куда

T = Φ _e ^t / Φ _e ⁱ - коэффициент пропускания этого материала,

ATT = Φ _e ^att / Φ _e ⁱ - коэффициент затухания этого материала,

E = Φ _e ^e / Φ _e ⁱ - эмиттанс этого материала,

и в соответствии с законом Ламберта-Бера , T = 10 ^-A , так

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

и наконец

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

Коэффициент затухания [ править ]

Поглощение материала также связано с его десятичным коэффициентом затухания :

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

куда

l - толщина материала, через который проходит свет,

a ( z ) - декадный коэффициент затухания этого материала в точке z .

Если a ( z ) равномерно вдоль трассы, то говорят, что затухание является линейным , и соотношение становится

${\displaystyle A=al.}$

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

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

куда

ε - молярный коэффициент затухания этого материала,

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

Если c ( z ) равномерно вдоль пути, соотношение принимает вид

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

Использование термина «молярная поглощающая способность» для молярного коэффициента затухания не рекомендуется. ^[1]

Измерения [ править ]

Логарифмические и прямо пропорциональные измерения [ править ]

Количество света, проходящего через материал, экспоненциально уменьшается 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 отношение, поэтому они экспоненциально изменяются в зависимости от толщины и концентрации материала.

Диапазон измерения прибора [ править ]

Любой настоящий измерительный прибор имеет ограниченный диапазон, в котором он может точно измерить оптическую плотность. Прибор должен быть откалиброван и проверен по известным стандартам, если показаниям можно доверять. Многие инструменты станут нелинейными (не соблюдают закон Бера – Ламберта), начиная примерно с 2 AU (~ 1% пропускания). Также трудно точно измерить очень малые значения оптической плотности (ниже 10 ^-4 ) с помощью имеющихся в продаже инструментов для химического анализа. В таких случаях можно использовать 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 было продемонстрировано вплоть до 5 × 10 ^{- 13}). Наилучшая теоретическая точность для большинства имеющихся в продаже нелазерных приборов 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 [ править ]

Обычно 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. ^[4]Во-первых, измерения на «бланке» проводятся с использованием только растворителя для справочных целей. Это делается 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. Пропускаемый 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 равно

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

Спектр поглощения нанесен на график зависимости поглощения от длины волны. ^[5]

UV-Vis спектрофотометр будет делать все это автоматически. Для использования этой машины растворы помещают в небольшую кювету и вставляют в держатель. Аппарат управляется с помощью компьютера, и после его «гашения» он автоматически отображает зависимость поглощения от длины волны. Получение спектра поглощения раствора полезно для определения концентрации этого раствора с использованием закона Бера – Ламберта и используется в ВЭЖХ .

Номер оттенка [ править ]

Некоторые фильтры, в частности сварочное стекло, имеют рейтинг оттенка (SN), который в 7/3 раза превышает поглощение плюс один: ^[6]

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

или же

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

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

См. Также [ править ]

• Абсорбция
• Спектроскопия поглощения перестраиваемого диодного лазера (TDLAS)
• Денситометрия
• Фильтр нейтральной плотности
• Математические описания непрозрачности

Ссылки [ править ]