Absorption (fysik)

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Video: lysabsorbering i vand

I fysikken refererer absorption (på latin absorptio 'suction' ) generelt til absorptionen af ​​en bølge ( elektromagnetiske bølger , lydbølger ), en enkelt partikel eller en partikelstrøm ( partikelstråler ) i et legeme eller stof. På nogle arbejdsområder bruges "absorption" med lidt forskellige betydninger afhængigt af den effekt, der overvejes, for eksempel i tilfælde af røntgenstråler og gammastråler og i tilfælde af frie neutroner.

Absorption reducerer transmissionen af en bølge eller stråling gennem et stof eller et legeme. Yderligere dæmpende effekter såsom spredning eller refleksion er opsummeret i optik med absorption under udtrykket udryddelse , også kendt som absorbans .

Når et stof absorberes i et andet (mere præcist: i en fase af det absorberende stof), skelnes der mellem " adsorption " og "absorption"; den almindelige generiske betegnelse for dette er sorption .

Absorption af bølger og partikelstråler

Energiforbrug af forskellige typer stråling som funktion af indtrængningsdybden

Når bølger absorberes i et absorberende, homogent materiale, er sandsynligheden for absorption pr. Rejseenhed ved lave energier den samme ved hver indtrængningsdybde. Derefter gælder en eksponentiel lov, Bouguer -Lambert -loven - ofte ofte kaldet Lamberts lov (for ikke at forveksle med Lamberts cosinuslov ). Hvis I 0 er den oprindelige strøm, er strømmen I ( d ) stadig til stede efter at have passeret gennem lagtykkelsen d :

(Afledning af loven: se absorptionslov ). Her µ er absorptionskoefficienten, som afhænger af egenskaberne af det absorberende materiale og ofte også af energien (kvanteenergi, partikeltype og hastighed) af strålingen. Dens gensidige værdi er dybden af ​​penetration . Tykkelsen af halvværdilaget kan beregnes ud fra det.

Imidlertid forekommer der ofte bivirkninger, der fører til helt andre love, som det kan ses på det tilstødende billede. Det er der forskellige grunde til:

  • Dannelse af sekundære elektroner, som frigives i det bestrålede materiale.
  • Ved for høje hastigheder ioniserer protoner kun svagt.
  • På grund af deres elektriske ladning har elektroner en skarpt defineret maksimal indtrængningsdybde. Tommelfingerregel: i kropsvæv (kød) pr. 2 MeV 1 cm.
  • Fælles for højenergifotoner og elektroner er, at de ikke udsender deres maksimale dosis på hudens overflade, men et par millimeter dybere.

Jordens relativt tykke luftlag fungerer sammen med dets magnetfelt som en meget effektiv absorber eller partikelafviser mod jordens magnetiske poler for højenergipartikler fra solen eller fra rummet. Afhængigt af partiklernes type og energi øges strålingsaktiviteten i Van Allen -bæltet kraftigt, og jordoverfladen er meget godt beskyttet. I nærheden af ​​de magnetiske poler genererer disse partikler polarlys (se også: luftbyger ).

lyd

Absorptionen af lyd sker ved at omdanne kraften af lyden (luftbåren lyd, strukturbåren lyd , også jordskælvsbølger) i termisk energi i en dæmpende medium eller ved grænselag - f.eks B. mellem luft , hvor lyden formerer sig, og en fast overflade - i stedet. Det er blandt andet afhængig af frekvens og temperatur. Lydabsorbering i luft skyldes forskellige termodynamiske processer, men den er betydeligt højere i gasser end i faste stoffer.

Elektromagnetiske bølger

Skumpyramider til absorption af elektromagnetiske bølger i radiotekniske applikationer

Når elektromagnetisk stråling kan absorberes i et materiale, beskrives absorptionsmaterialets styrke ved hjælp af en parameter, graden af ​​absorption , som normalt er af flere parametre (temperatur, bølgelængde) er afhængig.

Synligt lys

Sod fremstår sort, fordi det selv i en lille tykkelse absorberer meget lys af alle synlige bølgelængder

Optagelse af lys på overflader eller ved passage gennem stof afhænger af materialet og lysets frekvens. Dæmpningen af ​​intensiteten langs stien er proportional med absorptionskoefficienten for det bestrålede materiale og dets tykkelse. Dette resulterer i Lambert-Beer-loven .

Afhængigt af molekylernes mulige båndstruktur kan forskellige lysfrekvensområder absorberes forskelligt, dvs. afhængigt af farven er absorptionen forskellig i styrke (se resonansabsorption , Fraunhofer -linjer ). Tilstødende frekvenskomponenter reflekteres eller transmitteres afhængigt af materialet og lysets indfaldsvinkel. Hvis for eksempel en overflade, der fremstår gul, bestråles med hvidt lys, reflekteres / transmitteres det grønne og røde lys, og det blå lys absorberes (se farvesyntese ). Når lys absorberes, omdannes den absorberede energi normalt til termisk energi . Imidlertid er andre mekanismer også mulige, såsom forsinket frigivelse af lys i form af fluorescens eller omdannelse til elektrisk energi gennem den fotovoltaiske effekt .

Som allerede nævnt er absorptionen (delvist stærkt) afhængig af frekvens. Årsagen ligger i materialets båndstruktur , hvor fotoner af visse energier ophidser atomer eller molekyler, der har kvanteovergange med netop denne energiforskel i elektronskallen eller i deres molekylære vibrationer (mest med infrarødt lys).

Lysets passage gennem en plade, inklusive absorption, kan udledes direkte af det komplekse brydningsindeks ved hjælp af Kramers-Kronig-forholdet . På denne måde er den elektromagnetiske interaktion direkte relateret til en materiel egenskab.

Røntgen- og gammastråler

Den samlede absorptionskoefficient μ af aluminium ( 13 Al) til gammastråling, som en funktion af gammaenergien, og bidragene fra de tre individuelle processer. Compton -effekten dominerer i hele det viste område.
Den samlede absorptionskoefficient μ af bly ( 82 Pb) for gammastråling, som en funktion af gammaenergien, og bidragene fra de tre individuelle processer. Fotoeffekten dominerer med små energier; parring begynder at dominere ved 5 MeV.

Selv når røntgenstråler og gammastråler passerer gennem stof, er sandsynligheden for absorption proportional med tykkelsen d af det trængte materiale, ligesom sandsynligheden for spredning. Dette resulterer i et eksponentielt fald i intensitet med stigende tykkelse:

Her er absorptionskoefficienten , antallet af atomer i materialet pr. kubikmeter og σ tværsnittet for absorption. I optik kaldes denne lov Lambert-Beer-loven. Dæmpningen af ​​bjælken kan også beskrives ved en tykkelse på halv værdi . Dette er omvendt proportional med absorptionskoefficienten.

Processer med tab af energi

Absorption omfatter ofte (kun) de processer, hvor en foton afgiver noget eller hele sin energi. I energiområdet for gammastråling er disse:

  • den fotoelektriske effekt , hvor en elektron frigives med fotonens energi (reduceret med ioniseringsenergien i det berørte atom),
  • Compton -effekten : foton afgiver noget af sin energi til en elektron, og den spredte foton har en reduceret energi,
  • ved energier på mindst 1,022 M eV, pardannelse nær en atomkerne: i stedet for fotonet dannes en positron og en elektron .

Tværsnittet for hver af disse processer afhænger af fotonens energi og materialets atomnummer . Den fotoelektriske effekt dominerer for lave energier og høje atomtal, pardannelse for høje energier og høje atomnumre, Compton -effekten for mellemstore energier og lave atomnummer.

Det samlede tværsnit for absorption er summen af ​​de enkelte tværsnit af de forskellige processer, dvs. for absorptionen defineret på denne måde:

.

Elektronerne frigivet fra alle tre processer kan til gengæld have en ioniserende effekt, hvis de har nok energi.

Dæmpning af hændelsesstrålen

Imidlertid er "absorption" undertiden også enhver proces, der fjerner en foton fra den indfaldende stråle, med eller uden energiomdannelse. Derefter skal der med gamma og røntgenstråler også tages højde for Rayleigh-spredning , hvilket kun ændrer fotonens flyveretning. Det samlede effektive tværsnit er derefter

.

Den så definerede absorptionskoefficient, den lineære dæmpningskoefficient, skal bruges til beregning af det eksponentielle fald, der er beskrevet ovenfor. Selv da gælder dette kun med visse idealiseringer, f.eks. B. for en tynd, lineær stråle. Det gælder ikke for stråling gennem en tyk, fast væg, fordi der f.eks. B. kommer også til at sprede sig ind i bjælken.

Fjernbetjening

Luftens komponenter absorberer ved forskellige bølgelængder

Ved fjernmåling refererer udtrykket absorption til optagelse af elektromagnetisk strålingsenergi af atmosfæren eller jordens overflade. På denne måde lagres og udsendes energi midlertidigt igen i enhver retning i overensstemmelse med Plancks strålingslov . Jordens overflade, opvarmet af solen, udsender stråling i det mellem-infrarøde bølgelængdeområde (ca. 8 til 14 µm). Denne stråling absorberes af skyer eller drivhusgasser og forsinkes og udsendes igen i rummet eller tilbage til jorden ( drivhuseffekt ). Derfor bliver det koldere på klare nætter end overskyet.

LIDAR er i stand til at tilvejebringe en lagprofil af koncentrationen af ​​sporgasser. Her bruges specielle bølgelængder, som stimulerer sporgassernes molekyler selektivt og dermed absorberes og udsendes igen. Der kan også opnås en profil af vindhastigheden ( Doppler -skift af tilbagespredt stråling).

Farve- eller bølgelængdeafhængig absorption af jordoverfladen hjælper med at skelne mellem forskellige dækninger. De synlige og infrarøde spektrale områder bruges til at bestemme vegetationstyper og temperaturer.

Med satellitbaseret radar kan overfladeprofiler opnås, men også bølgefrekvens og højde kan bestemmes.

Radiobølger

Radiobølger til meddelelsestransmission eller med radar absorberes, reflekteres og spredes i atmosfæren af ​​gratis ladningsbærere (ionisering) samt regn og sne eller hagl.

Medium bølger formerer sig dårligt i løbet af dagen (ionisering af den lavere atmosfære ved solstråling), men de klarer sig så godt om natten. Fordi absorptionen i plasmaet er polariseringsafhængig, absorberes venstre cirkulære radiobølger med lang bølgelængde (medium og kort bølge ) næsten fuldstændigt på den nordlige halvkugle. Kun cirkulære højre bølger reflekteres fra bunden af ionosfæren, hvis de rammer i en tilstrækkelig flad vinkel; På denne måde rejser korte bølger rundt om hele jorden.

Selvom absorptionen af ​​mikrobølger i nedbør ofte forårsager store problemer ved transmission af meddelelser ( retningsradio , op- og nedforbindelser i satellitkommunikation ), kan nedbørsradar (jordbaseret) eller vejrradar om bord på skibe og fly registrere nedbørsområder og endda for at bestemme størrelsen af ​​dråberne eller haglstenene og vindhastigheden. Rayleigh -spredning er afgørende her - jo kortere bølgelængden er, desto flere spredende partikler med dimensioner betydeligt under bølgelængden. Vindhastigheden bestemmes ud fra Doppler -skiftet i de tilbagespredte bølger.

Under solstorme kan radiotrafik gå i stå, hvis atmosfæren ioniseres ned til de nederste lag og absorberer radiobølger.

For at implementere radiomåleceller skal væggene enten have en høj grad af absorption eller den størst mulige overflade, som vist på billedet. Så er en lavere absorptionsgrad af materialet tilstrækkelig. På grund af den meget rastløse overflade kan der næsten ikke være retningsreflektioner.

Gratis neutroner

Betegnelsen absorption bruges heller ikke ensartet i forbindelse med neutroner . Fra kernefysikkens synspunkt kan absorption defineres som enhver absorption af en fri neutron i en atomkerne , uanset hvordan kernen opfører sig bagefter. En urankerne kan z. B. split efter absorption. Dette frigiver 2 til 3 neutroner; absorptionen førte derefter til en stigning i antallet af neutroner.

I reaktorfysik og fusionsreaktorers fysik - tæpper er det derimod ofte et spørgsmål om at beregne en “neutronbalance”. Her under absorption (kun) opsummeres de processer, der reducerer det samlede antal frie neutroner i det pågældende volumen, som f.eks. B. (n, γ), (n, p) eller (n, α) reaktioner . Processer som nuklear fission eller (n, 2n) reaktioner er derimod en del af produktionen, fordi de øger antallet af neutroner.

Neutrondæmpere, der reducerer antallet af neutroner, også kaldet moderatorer , bruges f.eks. Til at regulere og slukke atomklyngekædereaktionen i reaktorkernen i et atomkraftværk.

Weblinks

Wiktionary: Absorption - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser