Закон Бугера. Одним із законів поглинання світла є закон, отриманий Бугером.
Нехай світло проходить через шар речовини товщиною d. інтенсивність світла на вході речовини I0, на виході - Id (рис.1). Візьмемо довільно шар товщиною dx. Ослаблення інтенсивності світла в цьому шарі позначимо через dI, величина якого залежить від товщини шару d і інтенсивності світла I, падаючого на цей шар:
де k - натуральний показник поглинання, величина якого залежить від поглинання середовища, і довжини світлової хвилі і не залежить (в певних межах) від інтенсивності світла.
Знак «-» показує на зменшення інтенсивності при проходженні світла через речовину.
Для отримання закону Бугера вирішуємо складене диференціальне рівняння.
Інтегруємо обидві частини і підставляємо межі інтегрування:
Підводимо ліву частину під загальний логарифм:
Графічно закон Бугера є експоненту (рис.2)
З урахуванням залежності величини k від довжини світлової хвилі l формула закону Бугера набуде вигляду:
гдеk # 955; - монохроматичний показник поглинання світла.
Закон Бугера-Ламберта- Бера. Для виведення закону Бугера-Ламберта-Бера введемо поняття ефективного перетину поглинання молекули s.
Ефективним перетином поглинання молекули називається деяка площа навколо молекули. При попаданні в неї фотона відбувається його захоплення молекулою, тобто відбудеться поглинання.
Нехай світло інтенсивністю I0 падає перпендикулярно до бічної поверхні прямокутного паралелепіпеда з площею S (рис. 3). На виході шару завтовшки d інтенсивність Id. У прямокутному паралелепіпеді виділимо шар товщиною dx. обсяг даного шару буде дорівнює S · dx. Концентрацію молекул в об'ємі паралелепіпеда позначимо через n. тоді кількість молекул в шарі d x дорівнюватиме n · S · dx. Загальна площа ефективного перетину молекул цього шару буде дорівнює s · n · S · dx. тобто якщо фотон потрапляє в цю площу, то він буде захоплений молекулою, відбудеться процес поглинання.
Отже, ймовірність взаємодії одного фотона з молекулами виділеного шару буде дорівнює:
Тобто, зміна інтенсивності dI по відношенню до інтенсивності світла I. падаючого на шар товщиною dx. буде пропорційно ймовірності, що процес поглинання стався
Проинтегрируем обидві частини рівності:
Припустимо, що молекули поглинає речовини знаходяться в розчиннику, який не поглинає світло.
де - натуральний молярний показник поглинання, рівний. тобто це є сумарне ефективний перетин поглинання всіх молекул одного моля розчиненої речовини (фізичний зміст).
З урахуванням закон Бугера-Ламберта-Бера приймає наступний вигляд:
На практиці закон Бугера-Ламберта-Бера застосовують в наступному вигляді:
де - молярний показник поглинання:
Для усунення залежності від довжини світлової хвилі l вводиться монохроматический молярний показник поглинання, тоді:
Коефіцієнт пропускання і оптична щільність розчинів. Відношення інтенсивності світла на виході речовини Id до інтенсивності на вході I0 називається коефіцієнтом пропускання t.
Десятковий логарифм величини, зворотної коефіцієнту пропускання, називається оптичною щільністю розчину Д:
На підставі закону Бугера-Ламберта-Бера розроблені методи по визначенню концентрації речовин в забарвлених розчинах (концентраційна колориметрия).
Залежності називаються спектрами поглинання речовини. Вони є джерелами інформації про стан речовини і про структуру енергетичних рівнів атомів і молекул.
Розсіювання світла. Процес розсіювання світла полягає у відхиленні в усіх напрямках світлового пучка, що проходить через оптично неоднорідне середовище.
Під оптично неоднорідним середовищем мається на увазі прозора для світла середа з вкрапленням областей, що володіють іншим показником заломлення в порівнянні з середою. Розрізняють три типи неоднорідностей: дрібні, а роблені методи по визначенню концентрації речовин в окращенних розчинах (концентраційний розчину еский определнного межа середні, великі.
Релей встановив, що в разі дрібних неоднорідностей (дим, туман, суспензії, емульсії), а також при молекулярному розсіюванні інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертого ступеня довжини світлової хвилі l (закон Релея):
Для Середньодисперсні середовища:
Для крупнодісперсной середовища:
Зменшення інтенсивності світла в результаті розсіювання, як і при поглинанні, описують показовою функцією:
де m - натуральний показник розсіювання.
Процеси поглинання і розсіяння світла йдуть одночасно. З урахуванням обох процесів зменшення інтенсивності світла визначається наступною функцією:
Фотобіологічні процеси. До фотобіологічні відносяться процеси, що починаються з поглинання світла одним з біооб'єктів і закінчуються певної фізіологічною реакцією організму. Розрізняють негативні і позитивні фотобіологічні процеси.
Негативні фотобіологічні ефекти в організму людини і тварин бувають двох типів:
1. Фототоксичні ефект викликає ушкодження шкіри або очей, які не супроводжуються алергічними реакціями, що проявляються у формі еритеми, едеми, пігментації, помутніння кришталика і т.д.
2. фотоалергічні ефект включає в себе первинний імунологічний механізм.
До позитивних фотобіологічні ефектів належать:
- Зір.
- Фотоперіодизм - це регуляція добових і річних циклів життя людини шляхом циклічних впливів світло - темрява. Процес йде під дією видимого світла. Фотоперіодичну рецептором у людини є очі.
- Освіти вітаміну Д з провитаминов під дією ультрафіолету.
Фотобіологічні процеси можна розбити на ряд стадій:
1. Поглинання кванта світла.
2. Внутрішньомолекулярні процеси розміну енергії.
3. міжмолекулярної перенесення енергії збудженого стану.
4. Первинний фотохімічний акт.
5. Темнова перетворення первинних фотохімічних продуктів, що закінчуються утворенням стабільних продуктів.
6. Біохімічні реакції за участю фотопродуктов.
7. загальнофізіологічних відповідь на дію світла.
Біофізика займається вивченням тільки перших чотирьох процесів і частково темнова процесів, безпосередньо наступних за первинним фотохимическим актом.
Спектри фотобіологічні дії. Спектром фотобіологічні дії називається залежність фотобіологічні ефекту від довжини хвилі діючого світла.
Розглянемо один з типів спектру фотобіологічні дії. Нехай на кювету падає світло інтенсивністю I0. на виході кювети інтенсивність світла I. Товщину кювети позначимо через l. У кюветі знаходиться розбавлений розчин ферменту з концентрацією n.
В результаті процесу поглинання концентрація n ферменту в розчині буде зменшуватися, отже, запишемо рівність:
де - поперечний переріз поглинання ферменту;
- швидкість зміни концентрації ферменту;
- квантовий вихід фотохімічної реакції;
знак «-» показує на зменшення концентрації згодом.
Вирішуємо диференціальне рівняння I-го порядку із перемінними:
де n0 - початкова концентрація ферменту в розчині (в момент часу t = 0),
Твори I0 на час t. - доза опромінення,, Sх - ефективне перетин молекули для фотохімічного перетворення.
Підставами ці параметри (Д і s) в отримане вище рівняння і отримаємо:
Для визначення Sх будують графік залежності величина Sх визначає нахил прямої (рис.5).
Мал. 4. Дозовая залежність інактивації ферменту.
При впливі на бактерії ультрафіолетом було встановлено, що крива загибелі бактерій має максимум в області 265 нм, а також, що форма цієї кривої дуже нагадує спектр поглинання нуклеїнових кислот. Тому був зроблений висновок, що загибель бактерій під дією ультрафіолету пов'язана з пошкодженням нуклеїнових кислот.