Поглощение света водой

Поглощательная способность определяется как отношение энергии, поглощаемой участком поверхности тела в секунду в интервале частот, ко всей энергии излучения, падающей в секунду на этот участок в том же интервале частот, причем предполагается, что излучение падает на поверхность изотропно. Поглощательная способность для видимых лучей очень велика у всех тел, имеющих темную окраску. Поглощаемая телом лучистая энергия переходит в тепло, вследствие этого температура поглощающего тела повышается. Поэтому количество поглощенной энергии можно измерять по повышению температуры.

Тело, поглощающее целиком всю лучистую энергию, называется абсолютно черным телом. Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей энергии, затрачиваемой на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, посылаемых электронами, частично же она может переходить и в другие формы энергии. При измерении коэффициента поглощения нужно, конечно, учитывать, что часть света отражается на границе исследуемого вещества, и вносить соответствующие поправки с помощью формул Френеля.

Проходя сквозь слой среды толщиной d, свет будет на каждом бесконечно малом участке пути dx поглощаться по закону.

т. е. поглощение света на этом элементарном участке будет пропорционально энергии падающего света I и длине участка dx. Коэффициент пропорциональности а в этом соотношении зависит от среды, в которой распространяется свет и, вообще говоря, от длины волны А, характеризующей данный спектральный цвет. Только в редких случаях поглощение не зависит от длины волн и не является избирательным (такие тела кажутся на просвет серыми).

К сожалению нельзя вывести никакой аналитической зависимости между коэффициентом поглощения света в воде и длиной волны, которой он соответствует. Поэтому приходится задавать эту зависимость в виде некоторой кривой, а = /(А).

Ослабление света на всем конечном пути d найдется, если мы проинтегрируем уравнение (6.8.1) в пределах от х = 0 до x = d.

Выполнив интегрирование и перейдя от логарифмической функции к экспоненциальной, найдем:

Это основное соотношение оптики моря (закон Бугера). Физический смысл этого закона состоит в том, что показатель поглощения не зависит от интенсивности света, а следовательно, и от толщины поглощающего слоя.

Однако следует принять во внимание, что при поглощении света молекула переходит в новое, возбужденное состояние, запасая поглощенную энергию. Пока она находится в таком состоянии, ее способность поглощать свет изменена. В опытах С. И. Вавилова закон Бугера соблюдался при самых больших интенсивностях: молекулы очень короткое время находятся в возбужденном состоянии. К этому типу относится огромное большинство веществ, для которых, следовательно, справедлив закон Бугера. Выбрав специально вещества со значительно большим временем возбужденного состояния, Вавилов мог наблюдать, что при достаточно большой интенсивности света коэффициент поглощения уменьшается, ибо заметная часть молекул пребывает в возбужденном состоянии. Эти отступления от закона Бугера представляют особый интерес, так как это были исторически первые указания на существование нелинейных оптических явлений, т. е. явлений, для которых несправедлив принцип суперпозиции. Бугер рассмотрел вопрос о поглощении света средой, плотность которой не везде одинакова, и второй закон Бугера формулируется так: «Свет может претерпевать равные изменения, лишь встречая равное число частиц, способных задерживать лучи или рассеивать их»¹.

Опыт показал, что во многих случаях, когда имеет место поглощение света молекулами газов или молекулами вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, коэффициент поглощения оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны, т. е. пропорционален концентрации Ы_г:

и обобщенный закон Бугера принимает вид.

где А — новый коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего вещества.

За последние годы особое развитие получил анализ молекулярного состава сложных смесей, основанный на измерении поглощения в ультрафиолетовой и особенно в инфракрасной областях спектра. Спектры поглощения многих органических молекул оказываются очень характерными, благодаря чему удается надежно устанавливать как молекулярный состав, так и количественное содержание отдельных компонент в смеси. В табл. 6.8.1 сведены значения коэффициентов поглощения, полученные на основании надежных опытов различных авторов для совершенно чистой дистиллированной воды.

Таблица 6.8.1

Значения коэффициентов поглощения чистой дистиллированной воды.

Чистая морская вода отличается от химически чистой воды тем, в ней содержатся неорганические соли, которые поглощают солнечное излучение в ультрафиолетовой части спектра. По данным Ю. П. Доронина, для X = 250 нм, а = 0,64 м^-1; для X = 300 нм, а = 0,14 м^-1, т. е. при уменьшении длины волны происходит усиление поглощения солнечного излучения¹.

В естественной океанической среде большое влияние на поглощение солнечного излучения оказывают как взвешенные частицы, так и растворенное органическое вещество «РОВ» (жирные кислоты и аминокислоты, аминосахара, хлориновые пигменты, гидрокарбонаты, фенолы и т. д.). Из-за различий в составе РОВ имеются различия в оценках а. Путем экспериментальных исследований установлено, что показатель поглощения растворенного органического вещества меняется по закону.

где показатель ц зависит от концентрации и от длины волны X.