Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

4. fejezet - A fény halála, a látás, a szem, a színek

4. fejezet - A fény halála, a látás, a szem, a színek

A fény detektálása, Fényabszorpció

Az 1. részben, A fény születése című fejezetben tisztáztuk, hogy a fény az atomokkal és molekulákkal – a mikrovilág szereplőivel – való kölcsönhatásokban születik: a részecske elektronfelhőjének magasabb energiájú állapotából az alacsonyabba – spontán vagy kényszerített módon – történő ugrásakor h.ν energiájú energiakvantumot, fotont, bocsát ki.

A fény megsemmisülése is ugyanezen az úton történik: az atom vagy molekula elnyel egy fotonnyi energiát az elektromágneses térből, és magasabb energiájú állapotba kerül, a foton „eltűnik”, az energia átalakul az atom, molekula belső energiájává.

A fényelnyelés egy valószínűségi folyamat: az adott számú atom időegység alatt rá jellemző (hullámhossz- és frekvenciafüggő) számú fotont nyel el (a többit átengedi), ez az abszorpcióképessége. Stacionárius állapotot feltételezve (folyamatos fényáram, folyamatos fényelnyelés, sokkal több atom, mint foton) a fényelnyelést a Lambert–Beer-törvény írja le:

Az anyag a rajta áthaladó elektromágneses (UV-, látható, infra-, röntgen-, gamma- stb.) sugárzás egy részét elnyeli, azaz a sugárzás az anyagban más energiafajtává alakul, a többi azon áthaladva, lecsökkent intenzitással halad tovább.

Mi lesz az elnyelt foton energiájával, impulzusával?

– „Magányos” atom csak a rá jellemző spektrumvonalaknak megfelelő energiájú (hullámhosszú) fotont képes elnyelni, a többi, nem rezonáns foton számára az atom átlátszó. Ha elnyeli a rezonáns fotont, magasabb energiájú állapotba kerül, és átveszi a foton impulzusát is, meglökődik. Az elnyelt energiát azonban elég hamar leadja, vagyis bizonyos véletlenszerű (de az energiaszintre jellemző átlagos) idő (1 ns-s) múlva visszaugrik az alapállapotba, és kibocsátja újra ugyanazt az energiájú fotont (csak egy véletlenszerű másik irányba) és az impulzus megmaradási törvény értelmében visszalökődik. Ez a rezonancia fluoreszcencia.

– Atom úgy is képes elnyelni fotont, hogy ha annak nagyobb a h.ν energiája, mint az atom külső elektronjának kötési energiája. Ekkor az elektron eltávozik az atomtól, az atom ionizálódik. Ha a pozitív ion befog egy elektront, és semlegessé válik, a rekombináció során szintén keletkezhetnek fotonok. Az ionizáció és a rekombináció már nem olyan élesen rezonáns, mint a gerjesztés.

– „Magányos” (gáz-halmazállapotú) molekulákban az elektronfelhő energiaszintjei kiszélesednek, a molekulát alkotó atomok egymáshoz képest rezeghetnek, az egész molekula foroghat. A több lehetséges – szintén kvantumos tulajdonságú – szabadsági fok, energiafajta létezése miatt a molekulák szélesebb sávban nyelnek el fotonokat (nem olyan éles a rezonancia) és nem pontosan ugyanolyan frekvenciájú fotont bocsátanak ki, amikor fluoreszkálnak. Az elnyelt foton energiájának egy része a vibrációs, rotációs szabadsági fokokra jut (a molekula „felmelegszik”), a kisebb energiájú fluoreszcencia foton „vörösebb”, ez az ún. Stokes-eltolódás. Nagyobb fotonenergiánál (UV) a molekula az abszorpciót követően disszociálhat, széteshet. Még nagyobb h.ν energiájú foton elnyelése révén a molekula is ionizálódhat.

– Kondenzált közeg (folyadék, szilárd test) is elnyelheti a fényt, de ez még kevésbé rezonáns (általában). Az elnyelt energia döntően az anyag hőmérsékletét növeli.

– Tiszta, bizonyos hullámhossztartományon átlátszó oldószerekkel készített oldatokban az oldott anyag sokszor hasonlóan viselkedik, mint egy gáz-halmazállapotbeli molekula, csak az oldószer molekuláinak kölcsönhatása miatt szélesebb sávban abszorbeál és emittál. Egyesek ezek közül nagyon jó hatásfokkal fluoreszkálnak, ezeket színezékeknek hívjuk, és ezek az ún. festéklézerek aktív anyagai.

– A fémek általában nem nyelik el a fényt, visszaverik, de a felületükön lévő oxidréteg és más szennyezés miatt a reflexió sohasem 100%. Az elnyelt fény hővé alakul. Bizonyos h.ν foton-energia felett a fény hatására a fémek felületéről vákuumban elektronok repülnek ki: ez a fotocella, alkálifémmel bevont katódját megvilágítva elektromos áram kezd folyni. A jelenség neve fényelektromos hatás vagy fotoeffektus. A katódba ütköző fotonok energiája két részre oszlik: eltávolítja az elektront a pozitív ionrácsot vonzó Coulomb-erő ellenében (kilépési munka, A), majd a maradék energia felgyorsítja az elektront v sebességre (Einstein, 1905, Nobel-díj):

A fényt így elektromos jellé alakítottuk, ezzel a fény intenzitásának egyik mérési utasítását adtuk meg. Bizonyos (max. 30%) hullámhosszfüggő hatásfok figyelembevételével 1 elektronnak 1 fotont feleltethetünk meg (fotonszámlálás).

– Félvezető kristályok belsejében a fény (foton) szintén szabaddá tehet egy elektront. Az nem hagyja el a kristályt, de hátrahagy egy strukturális (pozitív töltésű) lyukat, vagyis elektron-lyukpárt keltettünk. Ez megnöveli a félvezető vezetőképességét (fotoellenállás), illetve ha egy P-N határátmenet (dióda) táján keletkezett, akkor az elektron átmenve a határrétegen nem rekombinálódik, és feszültségnövekedést produkál (fényelem, fotodióda). Ennek neve belső fotoeffektus. Ez a fény detektálásának (a fény intenzitása elektromos jellé alakításának) másik – igen gyakori – módja. Ha a lyukba elektron ugrik vissza, rendszerint fénykibocsátással jár (LED).

Az anyagból kilépő és az anyagba belépő sugárzás erősségének a hányadosa az abszorpció mértéke, amely egyrészt a közeg anyagi minőségétől (összetétel, sűrűség, vastagság), másrészt az elnyelt sugárzás jellemzőitől (hullámhossz) függ.

Ha a sugárzás valamely anyag x vastagságú rétegén halad át, akkor az eredeti I0 intenzitása exponenciálisan Ix értékre csökken:

ahol m az abszorpciós együttható, e = 2,7182 a természetes logaritmus alapszáma. Ez a Lambert–Beer-törvény.

A fény az őt erősen abszorbeáló anyagokban (pl. korom) gyakorlatilag egy hullámhossznyi távolságban elnyelődik. A kis abszorpciós együtthatójú anyagokban (levegő, üveg, víz) nagy vastagságokon is áthatol, pl. az optikai távközlésben alkalmazott optikai szálakban az 1,3µm hullámhosszúságú (infravörös) fény 10 km hosszon sem abszorbeálódik jelentős mértékben. Kétkomponensű oldatok esetén a képlet picit módosul:

ahol m = cε, c az adott anyag koncentrációja, ε pedig az oldott anyag egységnyi koncentrációjára jellemző abszorpciós tényező, a neve moláris dekadikus extinció.

A fény (foton) másképpen nem tud kölcsönhatásban lépni az anyaggal, csak ha megsemmisül. Vagyis a fény mérése együtt jár annak megváltoztatásával. Ez a viselkedés a mikrovilág sajátossága, a méréssel beavatkozunk a folyamatokba, nem létezik „kölcsönhatásmentes” mérés.