(fysica), het verschijnsel dat de energie van vrije deeltjes of straling wordt opgenomen door een groter systeem. Zo is een mechanische demper in staat de kinetische energie van een voorwerp om te zetten in wrijvingswarmte.
De energie die in geluidsgolven is opgeslagen wordt door de tussenstof waarin het geluid zich voortplant, voor een deel in warmte omgezet ten gevolge van wrijvings- of dempingswarmte. Materialen, die in deze zin sterk absorberen, worden akoestisch genoemd (voorts zie Geluidsleer).
Ook een bundel deeltjes, bijv. elektronen, kan bij passeren door een medium energie verliezen ten gevolge van excitatie- en/of ionisatieprocessen (zie Atoomfysica; Gasontlading). Bij kernreacties kunnen bepaalde elementaire deeltjes door een kern worden ingevangen, waarna eventueel een ander deeltje wordt uitgezonden (zie Kernfysica). Ook kunnen elementaire deeltjes samensmelten met hun antideeltjes. Beide verdwijnen dan onder vorming van een zgn. γ-quantum (annihilatie, zie Elementaire deeltjes).
Soms heeft verstrooiing van deeltjes of straling, waarbij de vorm van de energie niet verandert, in de praktijk hetzelfde effect als absorptie.
Absorptie van elektromagnetische straling.
Van groot belang is de absorptie van elektromagnetische straling; vooral ook het deel uit het spectrum dat met licht wordt aangeduid. De wisselwerking tussen materie en elektromagnetische velden wordt beschreven door de quantumelektrodynamica. De draagkracht van deze theorie valt echter buiten het bestek van dit artikel; alleen de belangrijkste conclusies worden gebruikt. Het blijkt dat atomen en moleculen hun inwendige energie kunnen vergroten ten koste van de veldenergie; de uitwisseling gebeurt in discrete hoeveelheden. Deze sprongsgewijze energietoename manifesteert zich bij atomen in overgangen van de elektronen naar toestanden met hogere (totale) energie (tevens zie Aanslaan). Om elektronen aan te slaan, die zich dicht bij de kern ophouden en dus sterk gebonden zijn, is in het algemeen röntgenstraling nodig (golflengte λ = 10 −6...10−8 mm). Minder sterk gebonden elektronen, zoals de valentie-elektronen, kunnen door absorptie van zichtbaar licht (λ = 7...4 × 10−4 mm) of door ultraviolette straling worden geëxciteerd. Moleculen hebben daarnaast nog de mogelijkheid hun vibratie- en rotatie-energie te laten toenemen (resp. bij golflengten in de orde van 10−2...10−3 mm en golflengten van 10−1...10 mm). Vrij rondvliegende atomen en moleculen kunnen slechts straling met een zeer speciale golflengte absorberen; anders gezegd: de energiesprongen, die ze kunnen maken zijn zeer scherp bepaald. Er geldt: ΔE = hv, waarbij ΔE de energietoename is en v de frequentie van de geabsorbeerde straling. De evenredigheidsconstante h wordt de constante van Planck genoemd en heeft de waarde: 6,6256 × 10−34 J s (tevens zie Actie).
De hiervoor genoemde interactie werkt naar twee kanten.
Een geëxciteerd atoom of molecule kan zijn energie ook weer afstaan aan het elektromagnetische veld, waarbij men spreekt over emissie en over stralende deëxcitatie. De energie‘pakketjes’ worden vaak fotonen genoemd en gedragen zich in zekere zin als deeltjes (zie Quantummechanica). Wanneer fotonen genoeg energie bezitten (afhankelijk van de atoomsoort) kunnen ze een elektron uit het atoom verwijderen (ionisatie). De extra energie (hv − Eionisatie) neemt het elektron mee in de vorm van kinetische energie. Voor hv groter dan een bepaalde grensenergie is er dan een continue absorptie mogelijk. Dit treedt bijv. op wanneer atomen aan röntgenstraling worden blootgesteld. Vaak is het mogelijk een inzicht te krijgen in de wisselwerking tussen veld en materie door het veld te beschrijven in termen van klassieke lopende golven, die het gedrag van het elektrische en magnetische veld op continue wijze in tijd en ruimte vastleggen.
Daarnaast beschrijft men de materie dan vaak in de vorm van een conglomeraat van positieve en negatieve ladingen, die zich onder invloed van het veld gaan gedragen als trillende elektrische dipolen, die op hun beurt elektromagnetische straling uitzenden.
Beide modellen worden door elkaar gebruikt.
Absorptie door gassen.
Wanneer men een bundel wit licht waarin binnen bepaalde grenzen alle frequenties continu voorkomen, door een buis met een verdund gas laat lopen, dan blijkt bij analyse (bijv. met een prismaspectraalapparaat), dat er zeer specifieke frequenties (afhankelijk van de gassoort) zijn verdwenen. Men neemt een zgn. lijnenspectrum waar. De optredende absorptie verdient in dit geval echter enige toelichting.
De aangeslagen gasdeeltjes die dus een foton geabsorbeerd hebben, zullen in het algemeen na zeer korte tijd (in de orde van 10−8 s) terugkeren naar een toestand met minimale inwendige energie (grondtoestand), waarbij ze hun overtollige energie weer afstaan. Dit kan op verschillende manieren. Een veel voorkomende situatie is, dat ze hetzelfde energiepakketje weer uitzenden. Er lijkt dan netto niets veranderd te zijn en er kan hier niet meer worden gesproken van absorptie. Het opgenomen spectrum geeft echter wel degelijk aan dat bepaalde frequenties met een kleinere intensiteit aankomen en men spreekt dan nog steeds over een absorptiespectrum. De verklaring is, dat de deëxciterende gasdeeltjes het foton in een willekeurige richting uitzenden, waardoor in de richting van de bundel het aantal fotonen van de desbetreffende soort afneemt.
De secundaire straling wordt resonantiestraling genoemd en de schijnbare absorptie is dus niets anders dan een selectieve verstrooiing van fotonen. De terugval naar de grondtoestand kan ook trapsgewijs verlopen via toestanden met tussenliggende energieën. De uitgezonden straling zal in dat geval een kleinere frequentie hebben dan die van het binnenkomende licht.
In beide gevallen spreekt men over fluorescentie wanneer er tussen het uitzetten van de primaire lichtbundel en het verdwijnen van de secundaire lichtverschijnselen een tijdsverschil zit, dat kleiner is dan ongeveer 10−6 s. Wanneer dit tijdsverschil veel groter is spreekt men over fosforescentie. Het terugvalproces vindt dan plaats via een zgn. metastabiele tussentoestand, die een relatief lange levensduur heeft (van 10−3 s tot enkele seconden; voor sommige fosfors zelfs maanden). Fluorescentie en fosforescentie zijn speciale gevallen van luminescentie, waaronder men de lichtemissie verstaat die niet kan worden toegeschreven aan alleen de temperatuur van het emitterende systeem.
Wanneer de dichtheid van het gas toeneemt stijgt ook de kans dat een geëxciteerd deeltje botst met een ander deeltje, voordat de deëxcitatie heeft plaatsgevonden. Het is dan mogelijk dat de extra inwendige energie gebruikt wordt om de kinetische energie van de botsingspartners te verhogen. Het resultaat is dan dat een foton uit de inkomende bundel uiteindelijk de thermische energie van het systeem heeft opgehoogd, in welk geval men heeft te maken met pure absorptie. Deze effecten nemen toe naarmate de dichtheid groter wordt en zullen derhalve vooral bij vloeistoffen en vaste stoffen te verwachten zijn. Daarbij valt op te merken dat vergroting van het aantal atomen (of moleculen) per volume-eenheid nog een tweede effect heeft. Door de constante aanwezigheid van naburige deeltjes worden de atomen gestoord. De levensduur van de atomaire toestanden neemt dan af (tevens zie Aanslaan; Quantummechanica) en de breedte van de energieniveaus neemt toe (onzekerheidsrelatie van Heisenberg). De scherp bepaalde energieovergangen bij vrije atomen die aanleiding gaven tot de specifieke lijnenspectra, worden dan overgangen tussen uitgesmeerde niveaus, waardoor de absorptielijnen breder worden en bij grote dichtheden der atomen (zoals in vloeistoffen en vaste stoffen) zelfs aanleiding kunnen geven tot continue absorptie over een breed frequentiegebied.
Absorptie door vaste stoffen.
Hier moet in het algemeen onderscheid worden gemaakt tussen geleiders (metalen) en niet-geleiders. De wisselwerking van de laatstgenoemde categorie met het elektromagnetische veld kan vaak beschreven worden in een klassiek model, waarin men de minst sterk gebonden elektronen van de atomen, waaruit het medium bestaat, laat meetrillen met de elektrische component van het veld, onder de veronderstelling dat ze harmonisch (d.w.z. gehoorzamend aan de wet van Hooke) aan de atoomromp gebonden zijn. Zoals bij ieder trillend systeem kan men dan op zeer algemene gronden een dempingsterm aan de bewegingsvergelijking toevoegen, die in rekening brengt dat het trillende elektron energie aan zijn omgeving afstaat, die voor een toename van de warmtebeweging in het systeem zorgt. Een dergelijk model kan ook met vrucht gebruikt worden om de brekingsindex van een materiaal te beschrijven. Wanneer de ‘veerconstante’, die de binding van het elektron aan de romp beschrijft, niet in alle richtingen even groot is, komen verschijnselen als dubbele breking aan de orde (tevens zie Dispersie).
Een dergelijk trillend systeem kent een resonantiefrequentie, waarbij de uitwijking maximaal wordt. Wanneer licht van die frequentie wordt ingestraald wordt de wisselwerking met de omgeving relatief groot en treedt er sterke absorptie op. De frequentie, waarbij dit gebeurt ligt voor veel stoffen (zoals glas) in het ultraviolet. Kristallen die een uitgesproken ionogene structuur hebben (zoals de alkalihalogeniden), hebben daarnaast nog de mogelijkheid dat de ionen gaan vibreren rond hun evenwichtsposities. Dit gebeurt dan bij frequenties die een factor √(m/M) kleiner zijn dan die in het eerste geval (m is massa van het elektron: M de massa van het ion). In de buurt van deze eigentrillingen treedt anomale dispersie op.
De structuur van metalen is wezenlijk anders. De valentie-elektronen zijn hier praktisch vrij en horen niet meer bij een bepaald atoom. Het gevolg hiervan is (op grond van energie- en impulsbehoudoverwegingen) dat ze niet in staat zijn een foton te absorberen. Voor een klein deel der invallende fotonen gebeurt dit echter toch, zoals bekend is uit foto-elektrische verschijnselen. De reden is dat het oppervlak kan optreden als een impulsopnemer van geëmitteerde elektronen en het dieper gelegen rooster ook, wanneer de elektronen toch een geringe binding met het rooster hebben.
Een tweede mogelijkheid is dat de vrije elektronen (geleidingselektronen) als één geheel gaan trillen onder opname van fotonen. Men spreekt dan van plasmatrillingen of plasmonen. De meeste metalen reflecteren het licht zeer sterk (zie Fotoelektrisch effect; Plasmafysica).
Verstrooiing.
Uit het voorafgaande blijkt dat naast pure absorptie ook verstrooiing van fotonen de lichtintensiteit in een bundel kan doen afnemen. Bij resonantiestralingsverschijnselen gebeurt dat bij zeer specifieke frequenties. In het algemeen kan men echter zeggen dat er verstrooiing optreedt wanneer het medium waarin het licht zich voortplant, niet homogeen van samenstelling is. Wanneer licht op een deeltje valt waarvan de afmetingen groot zijn ten opzichte van de golflengte van het beschouwde licht, zal de verstrooiing bestaan uit een combinatie van buigings-, brekings- en reflectieprocessen. De verstrooiing aan een verzameling van dergelijke deeltjes is min of meer onafhankelijk van de golflengte (tenzij de deeltjes zelf selectieve absorptie vertonen). Wanneer de afmetingen van de deeltjes kleiner worden dan de golflengte, wordt de mate van verstrooiing een functie van de golflengte en betreden we het gebied van de rayleighverstrooiing.
Afb. 1 geeft een schematische voorstelling. De inkomende bundel treft een verzameling deeltjes. De ruimte waarin deze zich bevinden is opgedeeld in kubusvormige volume-elementjes met ribbe ½λ. Elk deeltje is microscopisch gezien een verzameling positieve en negatieve ladingen, die zich onder invloed van de elektrische component van het elektromagnetische veld gaan gedragen als trillende elektrische dipolen. Van een defgelijke configuratie is bekend dat hij straling uitzendt. Elke dipool zendt (behalve in de richting waarin hij trilt) straling uit in alle richtingen, met een frequentie die gelijk is aan die van de inkomende straling. In het zichtbare gebied is deze straling in het algemeen vrijwel in fase met de inkomende straling. Stel nu dat in ieder volume-elementje een gelijk aantal deeltjes zit dat homogeen verdeeld is; per cel kan men die dan geconcentreerd denken in de hoekpunten der cellen. Men kan dan inzien dat deze effectieve dipolen in de richting van de doorgaande bundel straling uitzenden die overal in fase is, zodat er versterkende interferentie zal optreden. In de richting daar loodrecht op zijn de faserelaties juist zo, dat er volledige uitdoving optreedt.
Een nadere beschouwing leert dat dit in feite gebeurt voor alle richtingen, die afwijken van de doorgaande richting. Dat er in werkelijkheid wel verstrooiing optreedt komt omdat er per cel fluctuaties optreden, voornamelijk wat het aantal deeltjes betreft dat er in zit. (Hier wordt een gasachtig systeem beschouwd.) Wanneer dit aantal gemiddeld n is zal de fluctuatie van de orde √n zijn.
Er valt nu het volgende op te merken: de relatieve fluctuaties worden groter wanneer onder dezelfde omstandigheden de golflengte van het licht wordt verkleind, omdat dan immers de cellen kleiner worden. De verstrooiing neemt dus toe voor kortere golflengten (evenredig met λ−4). Bij dezelfde golflengte neemt de verstrooiing ook toe wanneer de deeltjes groter worden.
De voornoemde cellenstructuur is perfect aanwezig bij ideale kristallen. Deze vertonen derhalve alleen verstrooiing ten gevolge van afwijkingen van de ideale kristaltoestand (thermische vibraties, roosterfouten).
Het vermelde effect is de verklaring voor het feit dat men de hemel blauw ziet. Het licht dat niet direct van de zon wordt ontvangen is immers strooilicht; blauw licht wordt het sterkste verstrooid. Een analoge redenering geldt voor de rode kleur van de ondergaande zon.
Verzwakkingswetten.
Wanneer een lichtbundel door een medium loopt, treedt er verzwakking van intensiteit op ten gevolge van absorptie en verstrooiing. Voor media die macroscopisch gezien homogeen zijn, bestaan er enkele simpele relaties, die deze afname van de bundelintensiteit beschrijven. Ze volgen uit analoge redeneringen, zodat slechts voor één geval de afleiding getoond wordt. Het gaat hier om de wet van Lambert (Eng.: Lambert-Bouguer law) die de intensiteit van een lichtbundel relateert aan de afstand, die deze door een absorberend medium heeft afgelegd. De intensiteitsverandering ten gevolge van absorptie in een laagje ter dikte Δx ter plaatse x, is evenredig met de intensiteit die op het laagje valt en de dikte van het laagje, dus:
I(x) − I(x + Δx) = ⍺ I(x) Δx
waaruit volgt:
−(ΔI(x)/Δx) = ⍺ I(x)
In de limiet voor Δx → 0 wordt dit:
(dI(x)/dx) = − ⍺ I (x)
Deze differentiaalvergelijking heeft als oplossing:
I(x) = constante × e−ax
De constante volgt uit de randvoorwaarde
I(x = 0) = I0. Dus:
I(x) = I0e−ax
De evenredigheidsconstante ⍺ is de verzwakkingscoëfficiënt en wordt de absorptiecoëfficiënt genoemd; in het algemeen is ⍺ nog afhankelijk van de golflengte. (De reciproke waarde van ⍺ wordt de verzwakkingsdikte of absorptiedikte, symbool: d, genoemd.) Wanneer in plaats van het grondtal e het grondtal 10 wordt gebruikt, dan treedt een andere constante op, die extinctie- of uitdovingscoëfficiënt wordt genoemd en waarvoor geldt: K = ⍺/2,303. Wanneer het absorberende medium zich in een oplossing bevindt wordt de wet van Beer belangrijk. Deze introduceert de concentratie als een tweede variabele. Er geldt dan:
I = I0e−⍺'cx
waarbij c de concentratie voorstelt; ⍺' hangt af van de golflengte, de temperatuur en de aard van het oplosmiddel.
De wet van Lambert geldt algemeen, de wet van Beer kent nogal wat uitzonderingen, die begrepen kunnen worden als men bedenkt dat de moleculaire toestand waarin de absorberende stof (in oplossing) verkeert, af kan hangen van de concentratie. Verzwakking ten gevolge van verstrooiing kent een analoge relatie, als de verstrooiingscentra maar fijn genoeg verdeeld zijn, zoals bij rook en mist. Er geldt:
I = I0e− τx
waarbij τ wel wordt aangeduid met de vertroebelingscoëfficiënt.
Dichroïsme.
Bij sommige kristallijne materialen blijkt de absorptie sterk af te hangen van de polarisatietoestand van het licht. Zo wordt in toermalijn, een optisch éénassig materiaal, dat dus dubbele breking vertoont, de gewone straal veel sterker geabsorbeerd dan de buitengewone straal. Dit verschijnsel wordt dichroïsme genoemd en wordt gebruikt in de bekende polaroids om lineair gepolariseerd licht te vormen. Er bestaan ook materialen (zoals kwarts), die een analoge asymmetrie vertonen ten opzichte van de absorptie van links en rechts circulair gepolariseerd licht. Men spreekt hier van circulair dichroïsme (zie Polarisatietoestand; Dubbele breking; Polaroid; Optische activiteit).