الامتصاص

تعود جذور مصطلح الامتصاص إلى قانون بير-لامبرت (أو قانون بير). فعندما ينتقل الضوء عبر وسط ما، يصبح خافتاً تدريجياً نتيجة "انطفاء" الضوء. وقد أدرك بيير بوغيه أن هذا الانطفاء (الذي يُسمى الآن غالباً بالتوهين) لا يتناسب طردياً مع المسافة المقطوعة عبر الوسط، بل يرتبط بما يُعرف الآن بالدالة الأسية.

لو${\displaystyle I_{0}}$هي شدة الضوء في بداية الرحلة و${\displaystyle I_{d}}$هي شدة الضوء الذي يتم رصده بعد قطع مسافة معينة${\displaystyle d}$، النسبة المنقولة،${\displaystyle T}$، يتم تحديده بواسطة

$${\displaystyle T={\frac {I_{d}}{I_{0}}}=\exp(-\mu d)\,,}$$

أين${\displaystyle \mu }$يُطلق عليه اسم ثابت التوهين (مصطلح يُستخدم في مجالات مختلفة حيث تُنقل الإشارة عبر وسط ما) أو معامل التوهين. تتناقص كمية الضوء المنقول أُسّيًا مع المسافة. بأخذ اللوغاريتم الطبيعي في المعادلة أعلاه، نحصل على

$${\displaystyle -\ln(T)=\ln {\frac {I_{0}}{I_{d}}}=\mu d\,.}$$

بالنسبة للأوساط المشتتة، غالبًا ما يتم تقسيم الثابت إلى جزأين، ^{[ 3 ]}${\displaystyle \mu =\mu _{s}+\mu _{a}}$، وفصلها إلى معامل تشتت${\displaystyle \mu _{s}}$ومعامل امتصاص${\displaystyle \mu _{a}}$، الحصول على

$${\displaystyle -\ln(T)=\ln {\frac {I_{0}}{I_{s}}}=(\mu _{s}+\mu _{a})d\,.}$$

إذا كان حجم الكاشف صغيرًا جدًا مقارنةً بالمسافة التي يقطعها الضوء، فإن أي ضوء يتشتت بواسطة جسيم، سواءً في الاتجاه الأمامي أو الخلفي، لن يصطدم بالكاشف. (كان بوغير يدرس الظواهر الفلكية، لذا تحقق هذا الشرط). في مثل هذه الحالات، يكون الرسم البياني لـ${\displaystyle -\ln(T)}$يُنتج رسم منحنى الامتصاص كدالة للطول الموجي تراكبًا لتأثيرات الامتصاص والتشتت. ولأن جزء الامتصاص أكثر وضوحًا ويميل إلى الظهور على خلفية جزء التشتت، فإنه يُستخدم غالبًا لتحديد وقياس كمية المواد الممتصة. ونتيجة لذلك، يُشار إلى هذا النوع من التحليل غالبًا باسم مطيافية الامتصاص ، وتُسمى الكمية المرسومة "الامتصاصية"، ويرمز لها بـ${\displaystyle \mathrm {A} }$تستخدم بعض التخصصات ، بحسب العرف، الامتصاص العشري (الأساس 10) بدلاً من الامتصاص الطبيعي (النابيري)، مما ينتج عنه${\displaystyle \mathrm {A} _{10}=\mu _{10}d}$(مع عدم ظهور الرقم السفلي 10 عادةً).

في وسط متجانس كالمحلول، لا يحدث تشتت. في هذه الحالة، التي بحثها أوغست بير باستفاضة ، يتبع تركيز المادة الماصة نفس المساهمة الخطية في الامتصاصية التي يتبعها طول المسار. إضافةً إلى ذلك، فإن مساهمات كل مادة ماصة على حدة تتراكم. هذه حالة مواتية للغاية، مما جعل الامتصاصية مقياسًا للامتصاص أفضل بكثير من نسبة الامتصاص (القيمة الامتصاصية). لهذه الحالة استُخدم مصطلح "الامتصاصية" لأول مرة.

يُعبّر أحد التعبيرات الشائعة لقانون بير عن توهين الضوء في مادة ما على النحو التالي:${\displaystyle \mathrm {A} =\varepsilon \ell c}$، أين${\displaystyle \mathrm {A} }$الامتصاصية ؛${\displaystyle \varepsilon }$هو معامل التوهين المولي أو معامل امتصاص الأنواع المخففة؛${\displaystyle \ell }$هو طول المسار البصري؛ و${\displaystyle c}$هو تركيز الأنواع المخففة.

بالنسبة للعينات التي تشتت الضوء، يُعرَّف الامتصاص بأنه "اللوغاريتم السالب لواحد ناقص الامتصاص (نسبة الامتصاص:${\displaystyle \alpha }$) كما تم قياسها على عينة متجانسة". ^{[ 4 ]} بالنسبة للامتصاص العشري، ^{[ 2 ]} يمكن ترميز ذلك على النحو التالي${\displaystyle \mathrm {A} _{10}=-\log _{10}(1-\alpha )}$إذا كانت العينة تنقل الضوء وتعكسه ، وليست مضيئة، فإن نسبة الضوء الممتص (${\displaystyle \alpha }$), تم تحويلها (${\displaystyle R}$وتم نقلها (${\displaystyle T}$) أضف إلى 1:${\displaystyle \alpha +R+T=1}$. لاحظ أن${\displaystyle 1-\alpha =R+T}$ويمكن كتابة الصيغة على النحو التالي :${\displaystyle \mathrm {A} _{10}=-\log _{10}(R+T)}$بالنسبة لعينة لا تتشتت ،${\displaystyle R=0}$، و${\displaystyle 1-\alpha =T}$، مما ينتج عنه صيغة امتصاص المادة التي تمت مناقشتها أدناه.

على الرغم من أن دالة الامتصاص هذه مفيدة جدًا مع العينات المشتتة، إلا أنها لا تتمتع بنفس الخصائص المرغوبة كما هو الحال مع العينات غير المشتتة. ومع ذلك، توجد خاصية تُسمى قدرة الامتصاص يمكن تقديرها لهذه العينات. إن قدرة امتصاص وحدة سُمك واحدة من المادة المكونة لعينة مشتتة هي نفسها امتصاص نفس السُمك من المادة في حالة عدم وجود تشتت. ^{[ 5 ]}

في علم البصريات ، يُعرف الامتصاص أو الامتصاص العشري بأنه اللوغاريتم العشري لنسبة القدرة الإشعاعية الساقطة إلى القدرة الإشعاعية النافذة عبر مادة ما، بينما يُعرف الامتصاص الطيفي أو الامتصاص الطيفي العشري بأنه اللوغاريتم العشري لنسبة القدرة الإشعاعية الطيفية الساقطة إلى القدرة الإشعاعية الطيفية النافذة عبر مادة ما. الامتصاص كمية لا بُعدية ، ولا يرتبط بالطول، على الرغم من أنه دالة متزايدة باطراد مع طول المسار، ويقترب من الصفر كلما اقترب طول المسار من الصفر.

يتم إعطاء امتصاص المادة ، ويرمز لها بـ A ، من خلال ^{[ 6 ]}

$${\displaystyle A=\log _{10}{\frac {\Phi _{\text{e}}^{\text{i}}}{\Phi _{\text{e}}^{\text{t}}}}=-\log _{10}T,}$$

أين

• ${\textstyle \Phi _{\text{e}}^{\text{t}}}$هو التدفق الإشعاعي المنقول بواسطة تلك المادة،
• ${\textstyle \Phi _{\text{e}}^{\text{i}}}$يمثل التدفق الإشعاعي الذي تتلقاه تلك المادة، و
• ${\textstyle T=\Phi _{\text{e}}^{\text{t}}/\Phi _{\text{e}}^{\text{i}}}$هي نفاذية تلك المادة.

الامتصاصية كمية لا بُعدية . ومع ذلك، تُستخدم وحدة الامتصاصية ( AU) بشكل شائع في مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وتطبيقاتها في كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء ، وغالبًا ما تُستخدم في وحدات مشتقة مثل وحدة الامتصاصية الملي (mAU) أو وحدة الامتصاصية الملي-دقيقة (mAU×min)، وهي وحدة قياس الامتصاصية المتكاملة مع الزمن. ^{[ 7 ]}

يرتبط الامتصاص بالعمق البصري من خلال

$${\displaystyle A={\frac {\tau }{\ln 10}}=\tau \log _{10}e\,,}$$

حيث τ هو العمق البصري.

يتم إعطاء الامتصاص الطيفي في التردد والامتصاص الطيفي في الطول الموجي للمادة، ويرمز لهما بـ A _ν و A _{λ على التوالي، بواسطة} ^{[ 6 ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}A_{\nu }&=\log _{10}{\frac {\Phi _{{\text{e}},\nu }^{\text{i}}}{\Phi _{{\text{e}},\nu }^{\text{t}}}}=-\log _{10}T_{\nu }\,,\\A_{\lambda }&=\log _{10}{\frac {\Phi _{{\text{e}},\lambda }^{\text{i}}}{\Phi _{{\text{e}},\lambda }^{\text{t}}}}=-\log _{10}T_{\lambda }\,,\end{aligned}}}$$

أين

• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} ,\nu }^{t}}$هو التدفق الإشعاعي الطيفي بالتردد الذي تنقله تلك المادة؛
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} ,\nu }^{i}}$هو التدفق الإشعاعي الطيفي بالتردد الذي تستقبله تلك المادة؛
• ${\textstyle T_{\nu }}$هي النفاذية الطيفية في التردد لتلك المادة؛
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} ,\lambda }^{t}}$هو التدفق الإشعاعي الطيفي بالطول الموجي الذي تنقله تلك المادة؛
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} ,\lambda }^{i}}$هو التدفق الإشعاعي الطيفي بالطول الموجي الذي تستقبله تلك المادة؛ و
• ${\textstyle T_{\lambda }}$يمثل معامل النفاذية الطيفية بوحدة الطول الموجي لتلك المادة.

يرتبط الامتصاص الطيفي بالعمق البصري الطيفي من خلال

$${\displaystyle {\begin{aligned}A_{\nu }&={\frac {\tau _{\nu }}{\ln 10}}=\tau _{\nu }\log _{10}e\,,\\A_{\lambda }&={\frac {\tau _{\lambda }}{\ln 10}}=\tau _{\lambda }\log _{10}e\,,\end{aligned}}}$$

أين

• يمثل τ _ν العمق البصري الطيفي بالتردد، و
• τ _λ هو العمق البصري الطيفي بالطول الموجي.

على الرغم من أن الامتصاصية هي في الأصل وحدة قياس بلا وحدات، إلا أنها تُذكر أحيانًا بوحدات الامتصاصية (AU). ويخطئ كثيرون، بمن فيهم الباحثون العلميون، في التعبير عن نتائج تجارب قياس الامتصاصية باستخدام هذه الوحدات المصطنعة. ^{[ 8 ]}

الامتصاصية هي قيمة تقيس مدى انخفاض القدرة الإشعاعية المنقولة في مادة ما. قد ينتج هذا الانخفاض عن عملية الامتصاص الفيزيائية، وكذلك عن الانعكاس والتشتت وغيرها من العمليات الفيزيائية. تكون امتصاصية المادة مساوية تقريبًا لانخفاض قدرتها الإشعاعية عندما تكون كل من الامتصاصية أقل بكثير من 1، وانبعاثية تلك المادة (لا ينبغي الخلط بينها وبين الإشعاع الخارج أو الانبعاثية ) أقل بكثير من الامتصاصية.

$${\displaystyle \Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {t} }+\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {att} }=\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {i} }+\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {e} }\,,}$$

أين

• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {t} }}$هي القدرة الإشعاعية التي تنقلها تلك المادة،
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {att} }}$هل الطاقة الإشعاعية التي تخففها تلك المادة؟
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {i} }}$هي القدرة الإشعاعية التي تتلقاها تلك المادة، و
• ${\textstyle \Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {e} }}$هي الطاقة الإشعاعية المنبعثة من تلك المادة.

هذا يعادل

$${\displaystyle T+\mathrm {ATT} =1+E\,,}$$

أين

• ${\textstyle T=\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {t} }/\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {i} }}$هي نفاذية تلك المادة،
• ${\textstyle \mathrm {ATT} =\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {att} }/\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {i} }}$هو مدى امتصاص تلك المادة،
• ${\textstyle E=\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {e} }/\Phi _{\mathrm {e} }^{\mathrm {i} }}$هو انبعاث تلك المادة.

وفقًا لقانون بير، فإن T = 10 ^{− A} ، لذا

• ${\displaystyle \mathrm {ATT} =1-10^{-A}+E\approx A\ln 10+E,\quad {\text{if}}\ A\ll 1,}$

وأخيراً

• ${\displaystyle \mathrm {ATT} \approx A\ln 10,\quad {\text{if}}\ E\ll A.}$

يرتبط امتصاص المادة أيضًا بمعامل التوهين العشري الخاص بها من خلال

$${\displaystyle A=\int _{0}^{l}a(z)\,\mathrm {d} z\,,}$$

أين

• يمثل l سمك المادة التي يمر الضوء من خلالها، و
• a ( z ) هو معامل التوهين العشري لتلك المادة عند z .

إذا كانت قيمة a ( z ) منتظمة على طول المسار، يُقال إن التوهين هو توهين خطي ، وتصبح العلاقة $${\displaystyle A=al.}$$

في بعض الأحيان يتم إعطاء العلاقة باستخدام معامل التوهين المولي للمادة، أي معامل التوهين مقسومًا على تركيزها المولي :

$${\displaystyle A=\int _{0}^{l}\varepsilon c(z)\,\mathrm {d} z\,,}$$

أين

• يمثل ε معامل التوهين المولي لتلك المادة، و
• c ( z ) هو التركيز المولي لتلك المادة عند z .

إذا كانت دالة c ( z ) منتظمة على طول المسار، فإن العلاقة تصبح

$${\displaystyle A=\varepsilon cl\,.}$$

يُنصح بعدم استخدام مصطلح "الامتصاصية المولية" لوصف معامل التوهين المولي. ^{[ 6 ]}