Поглощение (электромагнитное излучение)

Физический процесс, посредством которого материя принимает энергию фотона и сохраняет ее.

Обзор поглощения электромагнитного излучения . Этот пример показывает общий принцип, используя видимый свет в качестве конкретного примера. Источник белого света — излучающий свет нескольких длин волн — фокусируется на образце (пары дополнительных цветов обозначены желтыми пунктирными линиями). При попадании на образец фотоны , соответствующие энергетической щели присутствующих молекул ( зеленый свет в этом примере), поглощаются , возбуждая молекулы. Другие фотоны рассеиваются (здесь не показано) или передаются без изменений; если излучение находится в видимой области (400–700 нм), прошедший свет выглядит как дополнительный цвет (здесь красный). Регистрируя затухание света для различных длин волн, можно получить спектр поглощения .

В физике поглощение электромагнитного излучения — это процесс, при котором материя ( обычно электроны, связанные в атомах ) поглощает энергию фотона и таким образом преобразует электромагнитную энергию во внутреннюю энергию поглотителя (например, тепловую энергию ). ^[1]

Заметным эффектом поглощения электромагнитного излучения является затухание излучения; затухание — это постепенное уменьшение интенсивности световых волн по мере их распространения в среде.

Хотя поглощение волн обычно не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), в определенных условиях ( оптика ) прозрачность среды изменяется в зависимости от интенсивности волны на коэффициент, и возникает насыщающееся поглощение (или нелинейное поглощение).

Количественная оценка поглощения

Существует множество подходов, которые потенциально позволяют количественно оценить поглощение излучения, и ниже приведены основные примеры.

• Коэффициент поглощения вместе с некоторыми тесно связанными с ним производными величинами
• Коэффициент затухания (примечание: используется редко и имеет синонимичное значение с «коэффициентом поглощения») ^{[ необходима ссылка ]}
• Молярный коэффициент затухания (также называемый «молярной поглощательной способностью»), который представляет собой коэффициент поглощения, деленный на молярность (см. также закон Бера-Ламберта )
• Массовый коэффициент затухания (также называемый «коэффициентом массового поглощения»), который представляет собой коэффициент поглощения, деленный на плотность.
• Сечение поглощения и сечение рассеяния тесно связаны с коэффициентами поглощения и затухания соответственно.
• «Затухание» в астрономии , что эквивалентно коэффициенту затухания
• Другие меры поглощения излучения, включая глубину проникновения и скин-эффект , постоянную распространения , постоянную затухания , фазовую постоянную и комплексное волновое число , комплексный показатель преломления и коэффициент экстинкции , комплексную диэлектрическую проницаемость , электрическое сопротивление и проводимость .
• Связанные меры, включая поглощение (также называемое «оптической плотностью») и оптическую глубину (также называемую «оптической толщиной»).

Все эти величины измеряют, по крайней мере в некоторой степени, насколько хорошо среда поглощает излучение. То, какие из них используют практикующие, зависит от области и техники, часто просто из-за условности.

Измерение поглощения

Поглощение объекта количественно определяет , сколько падающего света поглощается им (вместо отражения или преломления ). Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Бера-Ламберта .

Точные измерения поглощения на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью абсорбционной спектроскопии , где образец освещается с одной стороны, и измеряется интенсивность света, который выходит из образца в каждом направлении. Несколько примеров поглощения - это ультрафиолетово-видимая спектроскопия , инфракрасная спектроскопия и рентгеновская абсорбционная спектроскопия .

Приложения

Приблизительный график пропускания (или непрозрачности) атмосферы Земли для различных длин волн электромагнитного излучения, включая видимый свет.

Понимание и измерение поглощения электромагнитного излучения имеет множество применений.

• В распространении радиоволн это представлено в распространении вне прямой видимости . Например, см. расчет затухания радиоволн в атмосфере, используемый при проектировании спутниковой связи.
• В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения радиации атмосферными газами (например, при парниковом эффекте ), а также поверхностями суши и океана (см. альбедо ).
• В медицине рентгеновские лучи поглощаются в разной степени различными тканями ( в частности , костями ), что является основой рентгеновской визуализации .
• В химии и материаловедении различные материалы и молекулы поглощают излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материалы.
• В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы разрабатываются специально с учетом того, какие длины волн видимого спектра они поглощают и в каких пропорциях они находятся.
• В биологии фотосинтезирующим организмам необходимо, чтобы свет соответствующей длины волны поглощался активной областью хлоропластов , чтобы энергия света могла быть преобразована в химическую энергию в сахарах и других молекулах.
• В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, попадающие в высокочастотный электромагнитный спектр.
• В ядерной физике поглощение ядерного излучения может использоваться для измерения уровня жидкости, денситометрии или измерения толщины. ^[2]

В научной литературе известна система зеркал и линз, которая с помощью лазера «может позволить любому материалу поглощать весь свет из широкого диапазона углов». ^[3]

Смотрите также

• Абсорбционная спектроскопия
• Альбедо
• Затухание
• Электромагнитное поглощение водой
• Поглощение гидроксильных ионов
• Оптоэлектроника
• Фотоэлектрический эффект
• Фотосинтез
• Солнечная батарея
• Спектральная линия
• Спектроскопия полного поглощения
• Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

Ссылки

1. Baird, Christopher S. (сентябрь 2019 г.). "Поглощение электромагнитного излучения" . AccessScience . McGraw-Hill. doi :10.1036/1097-8542.001600 . Получено 17 июня 2023 г. .
2. М. Фалахати и др. (2018). «Проектирование, моделирование и строительство непрерывного ядерного датчика для измерения уровней жидкости». Журнал приборостроения . 13 (2): 02028. Bibcode : 2018JInst..13P2028F. doi : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028. S2CID  125779702.
3. «Антилазер обеспечивает почти идеальное поглощение света». Physics World . 31 августа 2022 г.

• Thomas, Michael E. (январь 2006 г.). Оптическое распространение в линейных средах: атмосферные газы и частицы, твердотельные компоненты и вода. Oxford University Press, США. стр. 3... (главы 1, 2, 7). Bibcode :2006oplm.book.....T. ISBN 978-0-19-509161-8. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
• ProfHoff, Ken Mellendorf; Vince Calder (ноябрь 2010 г.). "Отражение и поглощение". Архив физики - Спросите ученого . Аргоннская национальная лаборатория . Архивировано из оригинала 21.11.2010 . Получено 14.11.2010 .