Elektromagnetisk absorpsjon

Absorpsjon av lys eller annen elektromagnetisk stråling er et fenomen der noe eller all strålingsenergi omformes til en annen energiform, for eksempel varme ved vekselvirkning med materie. Et fullkomment svart legeme absorberer alt lys. I dagliglivet kan dette observeres ved at asfalt og andre svarte overflater kan få meget høy temperatur når solen skinner.

Et stoff som absorberer alt lys (hele lysspektrumet) kjennetegnes ved at det er sort av farge. Energien i lyset fører til at legmet varmes opp.

De mørke absorpsjonslinjene i et ellers kontinuerlig spekter har sammenheng med at visse deler av lyset blir absorbert i mediet som det forplanter seg i. Her er det sollysets spekter som er vist der de mørke linjene kalles fraunhoferlinjer. Disse linjene i solspektret er forårsaket av absorpsjon av stoffer (grunnstoffer) i solatmosfæren.

Absorpsjon forklares ved at energien til fotoner tas opp av materien. Det kan for eksempel skje ved at at elektronene i stoffets atomer eksisteres til høyere energinivå eller at atomene i et molekyl settes i bevegelse. Dermed transformeres strålingsenergin til indre energi i absorberen, for eksempel termisk energi. Reduksjonen i intensiteten av lys som forplanter seg gjennom et medium ved absorpsjon, kalles ofte for demping. Effekten er indirekte forbundet med materialets brytningsindeks som beskriver dets dispersjon av lys med forskjellige bølgelengder.

For de fleste stoffer vil noe av den elektromagnetiske strålingen absorberes, mens andre deler blir reflektert. Vanligvis er dette avhengig av bølgelengden. For et sort legeme absorberes all stråling, se illustrasjonen. For et legeme som det menneskelige synet oppfatter som grønt, reflekteres fotonene som har en bølgelengde på rundt 520–570 nm, mens resten absorberes.

Fenomenet absorpsjon

En oversikt over absorpsjon ved elektromagnetisk stråling. Dette eksempelet viser absorpsjon ved å bruke synlig lys. En hvit lyskilde, altså en kilde som utstråler lys av flere bølgelengdeer, fokuseres på en prøve bestående av fargestoffer oppløst i en væske (parene med komplementærfargeer er indikert av de gule stiplede linjene). Når lyset treffe prøven blir fotoner som samsvarer med energigapet til molekylene (grønt lys i dette eksemplet) absorbert, noe som eksiterer molekylene. Andre fotoner transmiterer upåvirket, og hvis strålingen er i det synlige området (400-700 nm), vises det overførte lyset som den komplementære fargen (her rød). Ved å måle dempingen av lys for forskjellige bølgelengder kan et absorpsjonsspektrum oppnås. (Klikk på bildet for større utgave.)

Foto: Jon Chui

Lys og andre elektromagnetiske bølger, kan bare spre seg gjennom vakuum uten å tape energi. I alle andre stoffer hvor lys kan forplante seg vil intensiteten svekkes, enten ved absorpsjon eller spredning. Absorpsjon av lys i et medium, for eksempel en væske eller gass, fører til at mediets energi øker, for eksempel i form av termisk energi.

Absorpsjon skjer ved at energien til et foton tas opp av materie, typisk elektronene i atomene stoffet består av. Dermed transformeres strålingsenergi til indre energi i absorberen, for eksempel termisk energi. Energien som tas opp kan brer seg som varme i stoffet. Graden av svekkelse av lysets intensitet ved absorpsjon er avhengig av lysets bølgelengde. Ofte vil en del av lysspektrumet bli mye sterkere absorbert enn andre deler, noe som kalles «selektiv absorpsjon». Områdene i spektret som er absorbert kalles for absorpsjonsbånd eller -linjer. Denne reduksjon av lysets intensitet kan vanligvis uttrykkes ved Beer-Lamberts lov.

Spredning vil si at lyset absorberes i stoffet, men at denne energien straks sendes ut som ny energi i form av lys fra stoffets atomer. Kirchhoffs strålingslov gir en direkte sammenheng mellom absorpsjon og emisjon av stråling med en viss bølgelengde for forskjellige temperaturer av materialet.

Reduksjonen i intensiteten til en lysstråle som forplanter seg gjennom et medium ved absorpsjon av bare en del av lysets fotoner, kalles ofte dempning. Vanligvis er absorpsjonen av stråling ikke avhengig av dets intensiteten (lineær absorpsjon), selv om det under visse forhold (vanligvis i optikk) endrer mediets gjennomsiktigheten avhengig av intensiteten av bølger som går gjennom og metnings absorpsjon (eller ikke-lineær absorpsjon) oppstår.

Kvantifisering absorpsjon

Det finnes en rekke måter å kvantifisere hvor raskt og effektivt strålingen absorberes i et bestemt medium. Noen eksempel er:

• Opptakskoeffisienten, og noen nært beslektet med flere avledet størrelser:
  • Dempningskoeffisient som noen ganger er synonymt med en absorpsjonskoeffisient,
  • Molar absorptivitet også kalt "molar ekstinksjonskoeffisient", som er absorpsjonskoeffisient delt med molaritet.
  • Massedempningskoeffisienten, som er absorpsjonskoeffisienten delt med tetthet,
  • Absorpsjonssnitt og spredningstverrsnitt (Thomson-spredning) er nært relatert til henholdsvis absorpsjons- og dempningskoeffisientene,
  • Ekstinksjon i astronomi tilsvarer dempningskoeffisienten,
• Inntrengningsdybde det at elektromagnetisk stråling har begrenset evne til å trenge inn i et stoff,
• Kompleks brytningsindeks,
• Absorbans (også kalt "optisk tetthet") og optisk dybde (også kalt "optisk tykkelse") er to relaterte størrelser.

Alle disse størrelsene måler, i hvert fall til en viss grad, hvor godt et medium absorberer stråling. Imidlertid har forskjellige fagfelter og teknikker konvensjoner for å bruke forskjellige størrelser hentet fra listen ovenfor.

Måling av absorpsjon

Absorbansen til et stoff kvantifiserer hvor mye av det innfallende lyset som blir absorbert av det (i stedet for å bli reflektert eller brutt). Dette kan være relatert til andre egenskaper til stoffet gjennom Beer–Lambert-loven.

Nøyaktige målinger av absorbansen ved mange bølgelengder gir mulighet for identifisering av et stoff via absorptionsspektroskopi. Dette gjøres ved at en prøve blir opplyst fra den ene siden, og intensiteten av lyset som går ut av prøven i alle retninger måles. Noen eksempler på absorpsjon er UV/VIS-spektroskopi, infrarød spektroskopi og røntgenabsorpsjonsspektroskopi.

Forekomster og anvendelser

Forenklet fremstilling av jordatmosfærens transmittans av forskjellige bølgelengder av elektromagnetisk stråling, inkludert synlig lys. (Klikk på bildet for større utgave.)

Forståelse og måling av absorpsjon av elektromagnetisk stråling har en rekke bruksområder. Her er noen eksempler:

• I meteorologi og klimatologi er globale og lokale temperaturer delvis avhengige av absorpsjon av stråling av atmosfæriske gasser (som i drivhuseffekten) og land- og havflater (Se albedo).
• I medisin brukes røntgenstråling som absorberes i forskjellige grad av forskjellige typer vev i kroppen (spesielt beinvev), som er grunnlaget for røntgenanalyse.
• I kjemi og materialvitenskap, der forskjellige materialer og molekyler vil absorbere stråling i forskjellige omfang ved forskjellige frekvenser, noe som muliggjør materialidentifikasjon.
• I optikk er solbriller, fargede filtre, fargestoffer og andre slike materialer designet spesielt med hensyn til hvilke synlige bølgelengder de absorberer og i hvilke mengder.
• I biologi krever fotosyntetiske organismer at lys av passende bølgelengder absorberes i det aktive området av kloroplast, slik at lysets energi kan omdannes til kjemisk energi, altså sukker og andre molekyler.
• I fysikk er D-regionen av jordens ionosfære kjent for å absorbere signifikant radiosignaler som faller innenfor det høyfrekvente elektromagnetiske spektret.

Se også

• Fotoelektrisk effekt
• Optoelektronikk
• Fotosyntese
• Solcelle
• Albedo

Litteratur

• Thomas, Michael E. (januar 2006). Optical Propagation in Linear Media: Atmospheric Gases and Particles, Solid-State Components, and Water. Oxford University Press, USA. s. 3... (Chapter 1, 2, 7). ISBN 978-0-19-509161-8. 

Eksterne lenker

• YES I Can: Hvordan elektromagnetisk stråling og materie samevirker. (engelsk)