Absorção (física)

Vídeo: absorção de luz na água

Absorção ( latim absorptio , absorção ' ) referido na física geralmente recebendo uma onda ( ondas eletromagnéticas , ondas sonoras ), uma única partícula ou um fluxo de partículas ( feixes de partículas ) em um corpo ou substância. Em algumas áreas de trabalho, "absorção" é usado com significados ligeiramente diferentes dependendo do efeito que está sendo considerado, por exemplo, no caso de raios-X e raios gama e no caso de nêutrons livres.

A absorção reduz a transmissão de uma onda ou radiação através de uma substância ou corpo. Outros efeitos atenuantes, como espalhamento ou reflexão, são resumidos em óptica com absorção sob o termo extinção , também conhecido como absorbância .

Quando uma substância é absorvida por outra (mais precisamente: por uma fase da substância absorvente), é feita uma distinção entre " adsorção " e "absorção"; o termo genérico comum para isso é sorção .

Absorção de ondas e feixes de partículas

Gasto de energia de diferentes tipos de radiação em função da profundidade de penetração

Quando as ondas são absorvidas em um material absorvente e homogêneo, a probabilidade de absorção por unidade de viagem é a mesma com baixas energias em cada profundidade de penetração. Em seguida, uma lei exponencial se aplica, a lei de Bouguer-Lambert - freqüentemente chamada de lei de Lambert abreviadamente (não deve ser confundida com a lei do cosseno de Lambert ). Se I _{0 é} a corrente original, a corrente I ( d ) ainda presente após passar pela espessura da camada d é :

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

(Derivação da lei: ver lei de absorção ). Aqui µ é o coeficiente de absorção, que depende das propriedades do material absorvente e freqüentemente também da energia (energia quântica, tipo de partícula e velocidade) da radiação . Seu valor recíproco é a profundidade de penetração . A espessura da camada de meio valor pode ser calculada a partir dela.

No entanto, freqüentemente ocorrem efeitos colaterais que levam a leis completamente diferentes, como pode ser visto na foto ao lado. Existem diferentes razões para isso:

Formação de elétrons secundários, que são liberados no material irradiado.
Em velocidades muito altas, os prótons se ionizam apenas fracamente.
Por causa de sua carga elétrica, os elétrons têm uma profundidade máxima de penetração bem definida. Regra geral: no tecido corporal (carne) por 2 MeV 1 cm.
O que fótons e elétrons de alta energia têm em comum é que eles não emitem sua dose máxima na superfície da pele, mas alguns milímetros mais profundamente.

A camada relativamente espessa de ar da Terra, junto com seu campo magnético, atua como um absorvedor ou defletor de partículas muito eficaz em direção aos pólos magnéticos da Terra para partículas de alta energia do sol ou do espaço. Dependendo do tipo e da energia das partículas, a atividade de radiação no Cinturão de Van Allen aumenta muito e a superfície da Terra fica muito bem protegida. Nas proximidades dos pólos magnéticos, essas partículas geram luzes polares (ver também: chuveiros de ar ).

som

A absorção do som ocorre convertendo a potência do som (som transportado pelo ar, som transportado pela estrutura , também ondas de terremoto) em energia térmica em um meio de amortecimento ou em camadas limites - por exemplo, B. entre o ar , no qual o som se propaga, e uma superfície sólida - em vez disso. Depende da frequência e da temperatura, entre outras coisas. A absorção sonora no ar é devida a vários processos termodinâmicos, mas é consideravelmente maior em gases do que em sólidos.

Ondas eletromagnéticas

Pirâmides de espuma para a absorção de ondas eletromagnéticas em aplicações rádio-técnicas

Quando a radiação eletromagnética pode ser absorvida em um material, a resistência do material de absorção é descrita por um parâmetro, o grau de absorção , que geralmente é de uma pluralidade de parâmetros (temperatura, comprimento de onda) é dependente.

Luz visível

A fuligem parece preta porque, mesmo em uma pequena espessura, ela absorve muita luz de todos os comprimentos de onda visíveis

A absorção da luz nas superfícies ou ao passar pela matéria depende do material e da frequência da luz. A atenuação da intensidade ao longo do trajeto é proporcional ao coeficiente de absorção do material irradiado e sua espessura. Isso resulta na lei de Lambert-Beer .

Dependendo da possível estrutura de banda das moléculas, diferentes faixas de frequência da luz podem ser absorvidas de forma diferente, i. Em outras palavras, dependendo da cor, a força de absorção varia (ver absorção de ressonância , linhas de Fraunhofer ). Os componentes de frequência adjacentes são refletidos ou transmitidos dependendo do material e do ângulo de incidência da luz . Se, por exemplo, uma superfície que parece amarela é irradiada com luz branca, a luz verde e vermelha é refletida / transmitida e a luz azul é absorvida (veja a síntese de cores ). Quando a luz é absorvida, a energia absorvida é geralmente convertida em energia térmica . No entanto, outros mecanismos também são possíveis, como a liberação retardada de luz na forma de fluorescência ou a conversão em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico .

Como já mencionado, a absorção é (em parte fortemente) dependente da frequência. A causa está na estrutura de banda do material, na qual fótons de certas energias excitam átomos ou moléculas que têm transições quânticas precisamente com essa diferença de energia na camada de elétrons ou em suas vibrações moleculares (principalmente com luz infravermelha).

A passagem da luz através de uma placa, incluindo a absorção, pode ser derivada diretamente do índice de refração complexo usando as relações de Kramers-Kronig . Desta forma, a interação eletromagnética está diretamente relacionada a uma propriedade do material.

Raios X e raios gama

O coeficiente de absorção total μ de alumínio ( ¹³ Al) para radiação gama, em função da energia gama e as contribuições dos três processos individuais. O efeito Compton predomina em toda a área mostrada.

O coeficiente de absorção total μ de chumbo ( ⁸² Pb) para radiação gama, em função da energia gama e das contribuições dos três processos individuais. O efeito fotográfico predomina com pequenas energias; o emparelhamento começa a predominar em 5 MeV.

Mesmo quando os raios X e gama passam pela matéria, a probabilidade de absorção é proporcional à espessura d do material penetrado, assim como a probabilidade de espalhamento. Isso resulta em uma diminuição exponencial na intensidade com o aumento da espessura:

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

Aqui está o coeficiente de absorção , o número de átomos no material por metro cúbico e σ é a seção transversal para absorção. Em óptica, essa lei é chamada de lei de Lambert-Beer. A atenuação do feixe também pode ser descrita por uma espessura de meio valor . Isso é inversamente proporcional ao coeficiente de absorção. ${\ displaystyle \ mu = n \, \ sigma}$ ${\ displaystyle n}$

Processos com perda de energia

A absorção geralmente inclui (apenas) aqueles processos nos quais um fóton emite parte ou toda a sua energia. Na faixa de energia da radiação gama, são:

o efeito fotoelétrico , no qual um elétron é liberado com a energia do fóton (reduzida pela energia de ionização do átomo afetado),
o efeito Compton : o fóton libera parte de sua energia para um elétron, e o fóton espalhado tem uma energia reduzida,
com energias de pelo menos 1.022 M eV, o par se forma na vizinhança de um núcleo atômico: no lugar do fóton, surge um pósitron e um elétron .

A seção transversal de cada um desses processos depende da energia do fóton e do número atômico do material. O efeito fotoelétrico predomina para baixas energias e altos números atômicos, formação de pares para altas energias e altos números atômicos, o efeito Compton para energias médias e baixos números atômicos.

A seção transversal total para absorção é a soma das seções transversais individuais dos vários processos, ou seja, para a absorção definida desta forma:

{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {Abs}} = \ sigma _ {\ mathrm {Foto}} + \ sigma _ {\ mathrm {Compton}} + \ sigma _ {\ mathrm {par}} \,}

.

Os elétrons liberados de todos os três processos podem, por sua vez, ter um efeito ionizante se tiverem energia suficiente.

Atenuação do feixe incidente

No entanto, "absorção" às vezes também é qualquer processo que remove um fóton do feixe incidente, com ou sem conversão de energia. Então, com os raios gama e os raios X, o espalhamento de Rayleigh também deve ser levado em consideração, que apenas altera a direção de vôo do fóton. A seção transversal efetiva total é então

{\ displaystyle \ sigma _ {2} = \ sigma _ {\ mathrm {Foto}} + \ sigma _ {\ mathrm {Compton}} + \ sigma _ {\ mathrm {par}} + \ sigma _ {\ mathrm { Rayleigh}} \,}

.

O coeficiente de absorção assim definido, o coeficiente de atenuação linear, deve ser usado no cálculo da diminuição exponencial descrita acima. Mesmo assim, isso só se aplica a certas idealizações, por exemplo, B. para um feixe linear fino. Não se aplica à radiação através de uma parede espessa e sólida, porque existe, e. B. também se espalha para dentro do feixe.

Sensoriamento remoto

Os componentes do ar absorvem em diferentes comprimentos de onda

No sensoriamento remoto , o termo absorção se refere à absorção de energia de radiação eletromagnética pela atmosfera ou pela superfície da terra. Dessa forma, a energia é temporariamente armazenada e emitida novamente em qualquer direção de acordo com a lei da radiação de Planck . A superfície da Terra, aquecida pelo sol, reemite radiação na faixa de comprimento de onda do infravermelho médio (aproximadamente 8 a 14 µm). Essa radiação é absorvida pelas nuvens ou gases de efeito estufa e é atrasada e reemitida para o espaço ou de volta à terra ( efeito estufa ). Portanto, fica mais frio em noites claras do que em noites nubladas.

O LIDAR é capaz de fornecer um perfil de camada da concentração de gases traço. Comprimentos de onda especiais são usados aqui, os quais estimulam as moléculas dos gases-traço seletivamente e, portanto, são absorvidos e reemitidos. Um perfil da velocidade do vento também pode ser obtido ( desvio Doppler da radiação retroespalhada).

A absorção da superfície terrestre dependente da cor ou do comprimento de onda ajuda a diferenciar as diferentes coberturas. As faixas espectrais do visível e infravermelho são usadas para determinar os tipos de vegetação e temperaturas.

Com o radar baseado em satélite , os perfis de superfície podem ser obtidos, mas também a frequência e a altura das ondas podem ser determinadas.

Ondas de rádio

As ondas de rádio para transmissão de mensagens ou com radar são absorvidas, refletidas e espalhadas na atmosfera por portadores de carga gratuita (ionização), bem como chuva e neve ou granizo.

As ondas médias se propagam mal durante o dia (ionização da baixa atmosfera pela radiação solar), mas se propagam bem à noite. Como a absorção no plasma depende da polarização , as ondas de rádio circulares do lado esquerdo de comprimento de onda longo (ondas médias e curtas ) são quase completamente absorvidas no hemisfério norte . Apenas as ondas circulares à direita são refletidas da parte inferior da ionosfera se atingirem um ângulo suficientemente plano; Dessa forma, as ondas curtas percorrem toda a Terra.

Embora a absorção de microondas na precipitação muitas vezes cause grandes problemas na transmissão de mensagens ( rádio direcional , links para cima e para baixo na comunicação por satélite ), radar de precipitação (baseado em solo) ou radar meteorológico a bordo de navios e aeronaves são capazes de detectar áreas de precipitação e até mesmo para determinar o tamanho das gotas ou granizo e a velocidade do vento. Aqui está o espalhamento de Rayleigh , o comprimento de onda, quanto mais partículas de espalhamento com dimensões do menor substancialmente abaixo do comprimento de onda - prevalecem. A velocidade do vento é determinada com base no deslocamento Doppler das ondas retroespalhadas.

Durante as tempestades solares , o tráfego de rádio pode parar se a atmosfera for ionizada até as camadas inferiores e absorver as ondas de rádio.

Para implementar células de medição de rádio , as paredes devem ter um alto grau de absorção ou a maior superfície possível, conforme mostrado na imagem. Então, um menor grau de absorção do material é suficiente. Por causa da superfície muito irregular, dificilmente pode haver reflexos direcionais.

Nêutrons livres

O termo absorção também não é usado uniformemente em relação aos nêutrons . Do ponto de vista da física nuclear, a absorção pode ser definida como qualquer absorção de um nêutron livre em um núcleo atômico , independentemente de como o núcleo se comporte posteriormente. Um núcleo de urânio pode z. B. dividir após absorção . Isso libera 2 a 3 nêutrons; a absorção levou a um aumento no número de nêutrons.

Na física do reator e na física dos reatores de fusão - cobertores, por outro lado, é frequentemente uma questão de calcular um “equilíbrio de nêutrons”. Aqui, sob absorção (apenas), são resumidos os processos que reduzem o número total de nêutrons livres no volume em consideração, como B. (n, γ), (n, p) ou (n, α) reações . Processos como a fissão nuclear ou reações (n, 2n), por outro lado, fazem parte da produção porque aumentam o número de nêutrons.

Absorventes de nêutrons que reduzem o número de nêutrons, também chamados de moderadores , são usados, por exemplo, para regular e desligar a reação em cadeia da fissão nuclear no núcleo do reator de uma usina nuclear.

Links da web

Wikcionário: Absorção - explicações de significados, origens das palavras, sinônimos, traduções

Absorção de radiação solar na atmosfera . Instituto de Geografia Física (IPG). Recuperado em 27 de setembro de 2010.

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