(O imagine de ansamblu a absorbției radiațiilor electromagnetice Acest exemplu descrie principiul general care utilizează lumina vizibilă ca exemplu specific: O sursă de lumină albă, care emite lumină cu mai multe lungimi de undă, se concentrează pe o probă (perechile de culori complementare sunt indicate de linii galbene punctate ) La lovirea eșantionului, fotonii care se potrivesc cu decalajul energetic al moleculelor prezente (lumina verde în acest exemplu) sunt absorbite, excitând moleculele. Alți fotoni sunt transmiși neafectați și, dacă radiația este în regiunea vizibilă (400-700 nm), lumina transmisă apare în culoarea complementară (aici roșu). Prin înregistrarea atenuării luminii pentru diferite lungimi de undă, se poate obține un spectru de absorbție.)
În fizică, absorbția radiațiilor electromagnetice este modul în care energia unui foton este preluată de materie, de obicei electronii unui atom. Astfel, energia electromagnetică este transformată în energia internă a absorberului, de exemplu energia termică. Reducerea intensității unei unde de lumină care se propagă printr-un mediu prin absorbția unei părți a fotonilor este deseori numită atenuare. De obicei, absorbția undelor nu depinde de intensitatea lor (absorbția liniară), deși în anumite condiții (de obicei, în optică), mediul își schimbă transparența în funcție de intensitatea undelor care trec, și are loc absorbția saturabilă (sau absorbția neliniară).
Legea lui Kirchhoff a radiațiilor termice
Există o relație fundamentală (legea radiației termice a lui Gustav Kirchhoff din 1859) care echivalează emisivitatea unei suprafețe cu absorbția radiației incidente („absorbtivitatea” unei suprafețe). Legea lui Kirchhoff explică de ce emisiile nu pot depăși 1, deoarece cea mai mare absorbtivitate – care corespunde absorbției totale a tuturor luminilor incidente de către un obiect cu adevărat negru – este, de asemenea, 1. Materialele ca oglinda, suprafețele metalice care reflectă lumina, vor avea astfel emisii scăzute, întrucât lumina reflectată nu este absorbită. O suprafață de argint lustruită are o emisivitate de aproximativ 0,02 aproape de temperatura camerei. Negrul de funingine absoarbe foarte bine radiațiile termice; are o emisivitate de 0,97 și, prin urmare, funinginea este o aproximare corectă față de un corp negru ideal.
În cazul transferului de căldură, legea lui Kirchhoff a radiației termice se referă la emisia și absorbția radiațiilor specifice unei lungimi de undă de către un corp material în echilibru termodinamic, incluzând echilibrul de schimb radiativ.
Un corp la temperatura T emite energie electromagnetică. Un corp perfect negru în echilibru termodinamic absoarbe toată lumina incidentă și emite energie conform unei legi unice a puterii radiative emisive pentru temperatura T, universală pentru toate corpurile negre perfecte. Legea lui Kirchhoff prevede că:
Pentru un corp de material arbitrar care emite și absoarbe radiații electromagnetice termice la fiecare lungime de undă în echilibru termodinamic, raportul dintre puterea emisivă și coeficientul de absorbție fără dimensiuni este egal cu o funcție universală doar a lungimii de undă și a temperaturii radiative. Această funcție universală descrie puterea emisivă perfectă a corpului negru.
Aici, coeficientul de absorbție fără dimensiuni (sau absorbtivitatea) este fracția de lumină incidentă (putere) care este absorbită de corp atunci când acesta radiază și absoarbe în echilibru termodinamic.
În termeni ușor diferiți, puterea emisivă a unui corp opac, arbitrar, de dimensiune și formă fixă, la o temperatură definită, poate fi descrisă printr-un raport fără dimensiuni, uneori numit emisivitate, raportul puterii emisive a corpului la puterea emisivă a corpului negru de aceeași mărime și formă la aceeași temperatură fixă. Prin această definiție, legea lui Kirchhoff precizează:
Pentru un corp arbitrar care emit și absoarbe radiația termică în echilibru termodinamic, emisivitatea este egală cu absorbția.
În unele cazuri, puterea emisivă și absorbtivitatea pot fi definite ca depinzând de unghi. Starea echilibrului termodinamic este necesară în declarație, deoarece egalitatea de emisivitate și de absorbtivitate adesea nu se menține atunci când materialul corpului nu este în echilibru termodinamic.
Legea lui Kirchhoff are un alt corolar: emisivitatea nu poate depăși unu (deoarece absorbtivitatea nu poate, datorită conservării energiei), astfel încât nu este posibil să se emită termic mai multă energie decât un corp negru, la echilibru. În luminescența negativă, absorbția integrată a unghiului și lungimii de undă depășește emisia materialului, totuși, însă aceste sisteme sunt alimentate de o sursă externă și, prin urmare, nu sunt în echilibru termodinamic.
Cu excepția metalelor goale, lustruite, aparența vizuaqlă a unei suprafețe nu este un bun ghid pentru emissivități aproape de temperatura camerei. Astfel vopseaua albă absoarbe foarte puțină lumină vizibilă. Cu toate acestea, la o lungime de undă în infraroșu de 10×10-6 metri, vopseaua absoarbe foarte bine lumina și are o emisivitate ridicată. În mod similar, apa pură absoarbe foarte puțină lumină vizibilă, dar apa este totuși un absorber puternic în infraroșu și are o emisivitate ridicată corespunzător.
Emisivitatea spectrală direcțională
În plus față de emisivitățile emisferice totale compilate , se poate măsura și o „emisivitate spectrală direcțională” mai complexă. Această emisivitate depinde de lungimea de undă și de unghiul radiației termice de ieșire. Legea lui Kirchhoff se aplică exact acestei emisivități mai complexe: emisivitatea pentru radiația termică ce iese într-o anumită direcție și la o anumită lungime de undă se potrivește cu absorbtivitatea pentru lumina incidentă la aceeași lungime de undă și același unghi. Emisivitatea totală emisferică este o medie ponderată a acestei emisivități spectrale direcționale; media este descrisă de manuale pentru „transferul de căldură prin radiație”.
Cuantificarea absorbției
Există mai multe moduri de a cuantifica cât de rapid și eficient este absorbită radiația într-un anumit mediu, de exemplu:
- Coeficientul de absorbție și unele cantități derivate strâns legate:
- Coeficientul de atenuare, care este uneori, dar nu întotdeauna, sinonim cu coeficientul de absorbție
- Absorbția molară, de asemenea numită „coeficient molar de extincție”, care este coeficientul de absorbție împărțit la molaritate (a se vedea și legea Beer-Lambert).
- Coeficientul de atenuare a masei, denumit și „coeficientul de extincție a masei”, care este coeficientul de absorbție împărțit la densitate (a se vedea și coeficientul de atenuare a masei).
- Secțiunea transversală de absorbție și secțiunea transversală de împrăștiere sunt strâns legate de coeficienții de absorbție și de atenuare.
- „Extincția” în astronomie este echivalentă cu coeficientul de atenuare.
- Adâncimea de penetrare și efectul de suprafață,
- Constanta de propagare, constanta de atenuare, constanta de fazaă și numărul de undă complex,
- Indicele de refracție complex și coeficientul de extincție,
- Condiții dielectrice complexe,
- Rezistivitate electrică și conductivitate.
- Absorbția (denumită și „densitate optică”) și adâncimea optică (numită și „grosimea optică”) sunt două măsuri conexe
Toate aceste cantități măsoară, cel puțin într-o oarecare măsură, cât de bine un mediu absoarbe radiațiile. Cu toate acestea, practicienii din diferite domenii și tehnici tind să utilizeze în mod convențional cantități diferite din lista de mai sus.
Măsurarea absorbției
Absorbanța unui obiect cuantifică cât de mult din lumina incidentă este absorbită de el (în loc să fie reflectată sau refracționată). Aceasta poate fi legată de alte proprietăți ale obiectului prin legea Beer-Lambert.
Măsurătorile precise ale absorbanței la mai multe lungimi de undă permit identificarea unei substanțe prin spectroscopie de absorbție, unde o probă este iluminată dintr-o parte și se măsoară intensitatea luminii care iese din eșantion în toate direcțiile. Câteva exemple de absorbție sunt spectroscopia vizibilă în ultraviolet, spectroscopia în infraroșu și spectroscopia de absorbție prin raze X.
Aplicații
(Diagrama brută a transmitanței (sau opacității) atmosferice a Pământului la diferite lungimi de undă ale radiației electromagnetice, inclusiv lumină vizibilă.)
Înțelegerea și măsurarea absorbției radiațiilor electromagnetice are o varietate de aplicații. Iată câteva exemple:
- În domeniul meteorologiei și al climatologiei, temperaturile globale și locale depind în parte de absorbția radiațiilor prin gaze atmosferice (cum ar fi efectul de seră) și prin suprafețe terestre și oceane (vezi albedo).
- În medicină, razele X sunt absorbite în diferite proporții de diferite țesuturi (în special oasele), care reprezintă baza pentru imagistica cu raze X.
- În chimie și știința materialelor, diferite materiale și molecule vor absorbi radiația în diferite proporții la frecvențe diferite, ceea ce permite identificarea materialelor.
- În optică, ochelarii de soare, filtrele colorate, coloranții și alte astfel de materiale sunt proiectate în mod specific în ceea ce privește lungimile de undă vizibile pe care le absorb și în ce proporții.
- În biologie, organismele care produc fotosinteză necesită ca lumina corespunzătoare lungimilor de undă să fie absorbită în zona activă a cloroplastelor, astfel încât energia luminoasă să poată fi transformată în energie chimică în zaharuri și alte molecule.
- În fizică, regiunea D a ionosferei Pământului este cunoscută că absoarbe în mod semnificativ semnalele radio care se încadrează în spectrul electromagnetic de înaltă frecvență.
Lasă un răspuns