Absorpce (fyzika)

Přehrát mediální soubor

Video: absorpce světla ve vodě

Absorpce ( latinská absorpce , absorpce ' ) uvedená ve fyzice obecně přijímající vlnu ( elektromagnetické vlny , zvukové vlny ), jedinou částici nebo proud částic ( paprsky částic ) v těle nebo látce. V některých oblastech práce se „absorpce“ používá s mírně odlišnými významy v závislosti na uvažovaném účinku, například v případě rentgenových a gama paprsků a v případě volných neutronů.

Absorpce snižuje přenos vlny nebo záření látkou nebo tělem. Další zeslabující efekty, jako je rozptyl nebo odraz, jsou shrnuty v optice s absorpcí pod pojmem extinkce , také známý jako absorbance .

Když je jedna látka absorbována do jiné (přesněji: do fáze absorbující látky), rozlišuje se mezi „ adsorpcí “ a „absorpcí“; běžný obecný termín pro to je sorpce .

Absorpce vln a paprsků částic

Energetický výdej různých typů záření v závislosti na hloubce průniku

Když jsou vlny absorbovány v pohlcujícím, homogenním materiálu, je pravděpodobnost absorpce na jednotku pohybu stejná při nízkých energiích v každé hloubce průniku. Poté platí exponenciální zákon, Bouguerův -Lambertův zákon - často zkráceně nazýván Lambertův zákon (nezaměňovat s Lambertovým kosinovým zákonem ). Pokud I _{0 je} původní proud, proud I ( d ) stále přítomný po průchodu tloušťkou vrstvy d je :

${\ displaystyle {\ frac {I (d)} {I_ {0}}} = e ^ {- \ mu d} = \ tau \,}$

(Odvození zákona: viz absorpční zákon ). Zde µ je absorpční koeficient, který závisí na vlastnostech absorpčního materiálu a často také na energii (kvantová energie, typ částic a rychlost) záření . Jeho vzájemnou hodnotou je hloubka průniku . Z ní lze vypočítat tloušťku vrstvy s poloviční hodnotou.

Často se však vyskytují vedlejší účinky, které vedou ke zcela odlišným zákonům, jak je vidět na sousedním obrázku. Existují k tomu různé důvody:

• Tvorba sekundárních elektronů, které se uvolňují v ozářeném materiálu.
• Při příliš vysokých rychlostech protony ionizují jen slabě.
• Elektrony mají kvůli svému elektrickému náboji ostře definovanou maximální hloubku průniku. Pravidlo: v tělesné tkáni (maso) na 2 MeV 1 cm.
• Fotony a elektrony s vysokou energií mají společné to, že nevyzařují svou maximální dávku na povrch kůže, ale o několik milimetrů hlouběji.

Poměrně silná vrstva vzduchu Země spolu s magnetickým polem působí jako velmi účinný absorbér nebo deflektor částic směrem k zemským magnetickým pólům pro vysokoenergetické částice ze Slunce nebo z vesmíru. V závislosti na druhu a energii částic se radiační aktivita ve Van Allenově pásu velmi prudce zvyšuje a zemský povrch je velmi dobře chráněn. V blízkosti magnetických pólů tyto částice generují polární světla (viz také: vzduchové sprchy ).

zvuk

Absorpce zvuku probíhá přeměnou síly zvuku (zvuk šířený vzduchem, zvuk šířený strukturou , také vlny zemětřesení) na tepelnou energii v tlumicím médiu nebo v mezních vrstvách - např. B. mezi vzduchem , ve kterém se zvuk šíří, a pevným povrchem - místo toho. Záleží mimo jiné na frekvenci a teplotě. Absorpce zvuku ve vzduchu je způsobena různými termodynamickými procesy, ale v plynech je podstatně vyšší než v pevných látkách.

Elektromagnetické vlny

Pěnové pyramidy pro absorpci elektromagnetických vln v radiotechnických aplikacích

Když může být elektromagnetické záření absorbováno v materiálu, je síla absorpčního materiálu popsána parametrem, přičemž stupeň absorpce , který je obvykle množinou parametrů (teplota, vlnová délka), je závislý.

Viditelné světlo

Saze se zdají černé, protože i v malé tloušťce absorbuje mnoho světla všech viditelných vlnových délek

Absorpce světla na povrchu nebo při průchodu hmoty závisí na materiálu a frekvenci světla. Útlum intenzity podél dráhy je úměrný absorpčnímu koeficientu ozářeného materiálu a jeho tloušťce. Výsledkem je Lambert-Beerův zákon .

V závislosti na možné pásmové struktuře molekul mohou být různé frekvenční rozsahy světla absorbovány různě, tzn. Jinými slovy, v závislosti na barvě se síla absorpce mění (viz resonanční absorpce , Fraunhoferovy linie ). Sousední frekvenční složky se buď odrážejí nebo přenášejí v závislosti na materiálu a úhlu dopadu světla . Pokud je například žlutý povrch ozařován bílým světlem, zelené a červené světlo se odráží / přenáší a modré světlo je absorbováno (viz syntéza barev ). Když je světlo absorbováno, absorbovaná energie je obvykle přeměněna na tepelnou energii . Jsou však možné i jiné mechanismy, jako je opožděné uvolňování světla ve formě fluorescence nebo přeměna na elektrickou energii prostřednictvím fotovoltaického efektu .

Jak již bylo zmíněno, absorpce je (částečně silně) závislá na frekvenci. Příčina spočívá v pásové struktuře materiálu, ve které fotony určitých energií excitují atomy nebo molekuly, které mají kvantové přechody právě s tímto energetickým rozdílem v elektronovém obalu nebo v jejich molekulárních vibracích (většinou s infračerveným světlem).

Průchod světla deskou, včetně absorpce, lze odvodit přímo ze složitého indexu lomu pomocí vztahů Kramers-Kronig . Tímto způsobem je elektromagnetická interakce přímo úměrná materiální vlastnosti.

Rentgenové záření a gama záření

Celkový absorpční koeficient μ hliníku ( ¹³ Al) pro záření gama v závislosti na energii gama a příspěvky tří jednotlivých procesů. V celé zobrazené oblasti převládá Comptonův efekt.

Celkový absorpční koeficient μ olova ( ⁸² Pb) pro záření gama v závislosti na energii gama a příspěvky tří jednotlivých procesů. Fotoefekt převládá s malými energiemi; párování začíná převládat při 5 MeV.

I když rentgenové paprsky a gama paprsky procházejí hmotou, je pravděpodobnost absorpce úměrná tloušťce d proniknutého materiálu, stejně jako pravděpodobnost rozptylu. To má za následek exponenciální pokles intenzity s rostoucí tloušťkou:

${\ Displaystyle I (d) = I_ {0} \, e ^ {- \ mu d} \,}$

Zde je absorpční koeficient , počet atomů v materiálu na metr krychlový a σ je průřez pro absorpci. V optice se tento zákon nazývá Lambert-Beerův zákon. Útlum paprsku lze také popsat poloviční hodnotou tloušťky . To je nepřímo úměrné absorpčnímu koeficientu. ${\ Displaystyle \ mu = n \, \ sigma}$${\ displaystyle n}$

Procesy se ztrátou energie

Absorpce často zahrnuje (pouze) ty procesy, při nichž foton vydává část nebo veškerou energii. V energetickém rozsahu záření gama jsou to:

• fotoelektrický efekt , ve které je elektron uvolní se energie fotonu (sníženou o ionizační energie postiženého atomu),
• Compton účinek : foton vydává část své energie na elektron, a rozptýlený foton má sníženou energii,
• při energií alespoň 1,022 M EV na tvorbu páru v blízkosti atomového jádra: namísto vzestupu fotonů na pozitron a elektron .

Průřez pro každou z těchto procesů závisí na energii fotonu a atomovým číslem materiálu. U nízkých energií a vysokých atomových čísel převažuje fotoelektrický efekt, u vysokých energií a vysokých atomových čísel tvorba dvojic, u středních energií a nízkých atomových čísel Comptonův efekt.

Celkový průřez pro absorpci je součtem jednotlivých průřezů různých procesů, tj. Pro absorpci definovanou tímto způsobem:

${\ Displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {Abs}} = \ sigma _ {\ mathrm {Photo}} + \ sigma _ {\ mathrm {Compton}} + \ sigma _ {\ mathrm {pair}} \,}$.

Elektrony uvolněné ze všech tří procesů mohou mít zase další ionizační účinek, pokud mají dostatek energie.

Útlum dopadajícího paprsku

„Absorpce“ se však někdy také počítá jako jakýkoli proces, který odstraní foton z dopadajícího paprsku, s přeměnou energie nebo bez ní. Pak je třeba u gama a rentgenového záření vzít v úvahu i Rayleighův rozptyl , který mění pouze směr letu fotonu. Celkový efektivní průřez je pak

${\ Displaystyle \ sigma _ {2} = \ sigma _ {\ mathrm {Photo}} + \ sigma _ {\ mathrm {Compton}} + \ sigma _ {\ mathrm {pair}} + \ sigma _ {\ mathrm { Rayleigh}} \,}$.

Takto definovaný absorpční koeficient, koeficient lineárního útlumu, se použije při výpočtu exponenciálního poklesu popsaného výše. I tehdy to platí pouze pro určité idealizace, např. B. pro tenký, lineární paprsek. Nevztahuje se na záření přes silnou, pevnou zeď, protože existuje např. B. se také přichází rozptýlit do paprsku.

Dálkový průzkum

Složky vzduchu absorbují různé vlnové délky

V dálkovém průzkumu se termín absorpce vztahuje k příjmu energie elektromagnetického záření atmosférou nebo povrchem Země. Tímto způsobem je energie dočasně uložena a znovu emitována v libovolném směru v souladu s Planckovým zákonem záření . Zemský povrch, zahřátý sluncem, znovu vyzařuje záření v rozsahu střední infračervené vlnové délky (kolem 8 až 14 µm). Toto záření je absorbováno mraky nebo skleníkovými plyny a je zpožděno a znovu emitováno do vesmíru nebo zpět na Zemi ( skleníkový efekt ). Proto se za jasných nocí ochladí než za zatažených nocí.

LIDAR je schopen poskytnout vrstevnatý profil koncentrace stopových plynů. Zde se používají speciální vlnové délky, které selektivně stimulují molekuly stopových plynů a jsou tak absorbovány a znovu emitovány. Lze také získat profil rychlosti větru ( Dopplerův posun zpětně rozptýleného záření).

Absorpce zemského povrchu závislá na barvě nebo vlnové délce pomáhá rozlišovat mezi různými pokrytími. Spektrální rozsahy viditelného a infračerveného záření se používají k určení typů vegetace a teplot.

Pomocí satelitního radaru lze získat povrchové profily , ale také určit frekvenci a výšku vln.

Rádiové vlny

Rádiové vlny pro přenos zpráv nebo s radarem jsou absorbovány, odraženy a rozptýleny v atmosféře pomocí volných nosičů náboje (ionizace), stejně jako déšť a sníh nebo krupobití.

Střední vlny se ve dne šíří špatně (ionizace spodní atmosféry slunečním zářením), ale daří se jim to dobře v noci. Protože je absorpce v plazmě závislá na polarizaci , jsou levé kruhové rádiové vlny s dlouhou vlnovou délkou (střední a krátká vlna ) téměř úplně absorbovány na severní polokouli . Pouze pravé kruhové vlny se odrážejí od dna ionosféry, pokud dopadají v dostatečně plochém úhlu; Krátké vlny tak cestují po celé Zemi.

Zatímco absorpce mikrovln ve srážkách často způsobuje velké problémy při přenosu zpráv ( směrové rádio , spoje nahoru a dolů v satelitní komunikaci ), srážkový radar (pozemní) nebo meteorologický radar na palubách lodí a letadel dokáže detekovat srážkové oblasti a dokonce k určení velikosti kapek nebo krupobití a rychlosti větru. Zde je Rayleighův rozptyl , vlnová délka, čím více rozptýlí částice s rozměry nižší podstatně pod vlnovou délkou - převažuje. Rychlost větru je určena na základě Dopplerova posunu zpětně rozptýlených vln.

Během slunečních bouří se rádiový provoz může zastavit, pokud je atmosféra ionizována až do nižších vrstev a pohlcuje rádiové vlny.

Pro implementaci rádiových měřicích buněk musí mít stěny buď vysoký stupeň absorpce, nebo co největší povrch, jak ukazuje obrázek. Pak stačí nižší stupeň absorpce materiálu. Vzhledem k velmi neklidnému povrchu zde téměř nelze pozorovat směrové odrazy.

Volné neutrony

Pojem absorpce se nepoužívá jednotně ani ve spojení s neutrony . Z hlediska jaderné fyziky lze absorpci definovat jako jakoukoli absorpci volného neutronu do atomového jádra bez ohledu na to, jak se jádro poté chová. Jádro uranu plechovka z. B. štěpí se po absorpci . Tím se uvolní 2 až 3 neutrony; absorpce pak vedla ke zvýšení neutronů.

V reaktorové fyziky a fyziky fúzních reaktorů - přikrývky, na druhé straně, to je často otázkou výpočet „neutronů rovnováhu“. Zde za absorpce (pouze) jsou shrnuty ty procesy, které snižují celkový počet volných neutronů v uvažovaném objemu, jako např. B. (n, γ), (n, p) nebo (n, α) reakce . Procesy jako jaderné štěpení nebo (n, 2n) reakce jsou naopak součástí produkce, protože zvyšují počet neutronů.

Absorbéry neutronů , které snižují počet neutronů, známé také jako moderátory , se používají například k regulaci a vypnutí řetězové reakce štěpení jader v jádru reaktoru jaderné elektrárny.

webové odkazy

Wikislovník: Absorpce  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Absorpce slunečního záření v atmosféře . Ústav pro fyzickou geografii (IPG). Citováno 27. září 2010.