Download miễn phí Kỹ thuật vật lý môi trường
Hiệu ứng tán xạ phân tử: là hiệu ứng tán xạ ánh sáng xảy ra trong môi trường sạch về mặt quang học có nghĩa là môi trường không chứa bất kỳ phần tử nào khác. Tán xạ phân tử xảy ra do những thăng giáng về mật độ xuất hiện trong quá trình chuyển động nhiệt của phân tử.
Cường độ tán xạ phân tử được xác định bởi biểu thức sau đây:
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Kỹ thuật vật lý môi trườngPhần I: Cơ sơ Lý thuyết
Từ những thí nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của Huyghens và Young cho thấy ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Tuy vậy, Plank, Einstein vầ Compton đã chỉ ra trong những trường hợp khác ánh sáng mang tính chất hạt, như trong trường hợp của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton. Các hạt ánh sáng được gọi là lượng tử ánh sáng hay các photon.
Năng lượng photon được xác định bằng công thức Plank: e = h.n
Trong đó:
h: hằng số Plank (h=6,626.10-27 erg.s = 6,626.10-34 J.s)
n : tần số dao động [n] = s-1
Như vậy ánh sáng có thể hay thể hiện tính chất sóng hay thể hiện tính chất hạt tuỳ trong hiện tượng vật lý cụ thể.
Bức xạ quang học: được đặc trưng bởi các đại lượng đo khác nhau như bước sóng, tần số, số sóng và năng lượng.
Độ dài bước sóng l (mm) là quãng đường mà bức xạ đi được sau mỗi chu kỳ dao động.
Tần số n là số dao động trong một đơn vị thời gian và n = c.l-1 trong đó thì c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 2,9979.1010 cm/s).
Số sóng k (cm-1) là số dao động trong một đơn vị độ dài k = l-1 = n.c-1.
Năng lượng bức xạ e = h.n = h.c.l-1 = h.c.k
Toàn bộ dải sáng được chia tương đối thành các vùng phổ như sau (theo bước sóng)
Sự hấp thụ ánh sáng và tán xạ ánh sáng (HTAS và TXAS)
Khi lan truyền trong môi trường, chùm sáng có thể bị yếu đi do các phần tử của môi trường hấp thụ hay tán xạ.
1-quá trình hấp thụ
Photon mất đi do bị hấp thụ bởi phần tử của môi trường, năng lượng photon bị biến đổi thành năng lượng nội tại của vật chất môi trường hay năng lượng bức xạ thứ cấp.
Sự hấp thụ ánh sáng được mô tả bằng định luật Bouger-Lamber như sau:
I = I0exp(-mad) (1)
Trong đó:
I và I0 là cường độ chùm sáng đơn sắc ở đầu vào và đầu ra của lớp vật chất có bề dày d.
ma là hệ số hấp thụ dài của môi trường.
2 Sự tán xạ ánh sáng
Là quá trình tương tác giữa photon vầ các phần tử môi trường trong đó dưới tác dụng của ánh sáng tới các electron trong nguyên tử, phân tử hay ion bị dao động cưỡng bức làm chúng phát bức xạ thứ cấp theo hướng ngẫu nhiên. Hiện tượng tán xạ ánh sáng xảy ra khi nó lan truyền trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học. Môi trường không đồng nhất về mặt quang học là môi trường có hệ số khúc xạ (chiết suất) thay đổi không theo qui luật từ điểm này sang điểm khác.
Trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học do bị tán xạ nên cường độ ánh sáng sẽ bị giảm dần theo hàm mũ:
I = I0exp(-msd) (2)
Trong đó:
I0 và I là cường độ chùm sáng ở đầu vào và đầu ra lớp vật chất có độ dày d.
ms là hệ số tắt
Vậy tổng quát khi ánh sáng lan truyền trong môi trường có thể xảy ra cả hai hiện tượng hấp thụ và tán xạ. Ta có:
I = I0exp(-dms-dma)
Hệ số tán xạ ánh sáng được xác định từ biểu thức:
Kq = (Iq/I0)R2/V (3)
Trong đó:
V: Thể tích tán xạ.
R: Khoảng cách từ thể tích tán xạ tới điểm quan sát, tại điểm này cường độ chùm sáng dưới góc q có giá trị bằng I0 (R).
I0 là cường độ chùm ánh sáng tới thể tích V.
Hệ số
Có 4 hiệu ứng tán xạ: tán xạ phân tử, tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman. Ba hiệu ứng đầu thuộc cơ chế tán xạ đàn hồi trong đó ánh sáng tán xạ cùng tần số với ánh sáng tới. Tán xạ Raman không đàn hồi.
Hiệu ứng tán xạ phân tử: là hiệu ứng tán xạ ánh sáng xảy ra trong môi trường sạch về mặt quang học có nghĩa là môi trường không chứa bất kỳ phần tử nào khác. Tán xạ phân tử xảy ra do những thăng giáng về mật độ xuất hiện trong quá trình chuyển động nhiệt của phân tử.
Cường độ tán xạ phân tử được xác định bởi biểu thức sau đây:
Trong đó:
k: hằng số Bolztman.
T: nhiệt độ tuyệt đối.
b: hệ số nén động học của vật chất môi trường.
r: mật độ môi trường.
n: chiết suất môi trường.
R: khoảng cách từ thể tích được xét tới điểm quan sát tán xạ.
Hiệu ứng tán xạ Raman:
Được nhà khoa học người ấn Độ Raman phát hiện năm 1928. Nội dung như sau: trong phổ Raman có thể quan sát thấy cặp vạch phổ ở những tần số ns, na đối xứng qua một vạch phổ n0 (n0 là tần số ánh sáng tới).
ns = n0 - Dn = na + Dn
Cường độ của vạch s (stoke) và vạch a (anti_stoke) nhỏ cỡ 10-3 s so với vạch n0 và I(s) > I(a).
Hai hiệu ứng đặc biệt quan trọng trong phương pháp phân tích không lấy mẫu từ xa. Đó là tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie. Ta sẽ đi sâu vào hai loại hiệu ứng tán xạ này.
Tán xạ Rayleigh
Là tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục (không đồng nhất về mặt quang) với kích thước của các hạt tạp bụi, son khí không lớn quá một vài phần chục của bước sóng. std Ê (0,1 – 0,2)l.
Cường độ tán xạ Rayleigh được xác định bởi biểu thức:
Trong đó:
V: Thể tích của 1 hạt.
N0: mật độ hạt.
a: hệ số phụ thuộc vào mật độ đồng nhất của môi trường.
Nếu ánh sáng tới là không phân cực và các hạt là đẳng hướng về điện thì cường độ ánh sáng tán xạ Rayleigh phụ thuộc một cách đối xứng vào góc tán xạ được thể hiện trên hình vẽ và biểu thức
Từ biểu thức (6) cho ta thấy có thể ứng dụng hiệu ứng tán xạ Rayleigh để xác định thể tích (suy ra trọng lượng) của hầu hết các hạt miễn là chúng có std Ê (0,1 – 0,2)l.
Hiệu ứng tán xạ Mie.
Là hiệu ứng tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục khi kích thước các hạt trong khu vực không đồng nhất lớn quá vài phần chục của bước sóng có nghĩa std > (0,1 – 0,2)l.
Khi kích thước hạt tăng std > 0,2l thì I(l) ằ 1/lm (m p/2 càng yếu.
Độ bất đối xứng giữa tán xạ về phía trước và tán xạ phía sau thường xác định bằng tỉ số giữa Iq = 45, Mie/Iq=135, Mie
Nếu biết hình dạng của hạt có thể sử dụng tỉ số này để xác định kích thước trung bình của hạt.
Khi kích thước hạt đủ lớn, đặc trưng tán xạ Iq(q) trở lên rất phức tạp, thông số độ bất đối xứng không đủ mô tả tán xạ này, cường độ tán xạ trở nên hoàn toàn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới. Đây chính là sự khác nhau quan trọng nhất giữa tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh.
Biểu thức sau đây xác định hệ số tắt trong trường hợp tán xạ Mie gây bởi các hạt bán kính r trong môi trường vẩn đục:
ms = N0kr2p (8)
Trong đó:
N0: mật độ hạt có bán kính trung bình r của môi trường.
kr2p: tiết diện tắt của hạt.
k = nhạt/nmôi trường >1, với nhạt, nmôi trường là hệ số khúc xạ của hạt và của môi trường.
3-Tán xạ bức xạ quang học bởi son khí.
Hiệu suất tán xạ bức xạ quang học bởi một phần tử son khí phụ thuộc rất mạnh vào kích thước tương đối của nó so với độ dài bước sóng tới l. Đối với các hạt dạng cầu có bán kính r thì sự phụ thuộc này thể hiện qua thông số r như sau:
r = 2pr2/l (9)
Tán xạ Mie r >1 ú r ³ (0,1 – 0,2)l (10)
Tán xạ Rayleigh xảy ra khi r < 1 và |mr| < 1 (11) với m là hệ số khúc xạ phức của vật chất.
Các điều kiện (10) và (11) luôn được thoả mãn trong hiệu ứng tán xạ bức xạ quang học trên các phần tử không khí vì vậy hiệu ứng này đôi khi còn được gọi là tán xạ Rayleigh hay tán xạ Mie.
Xét trường hợp đơn giản môi trường đều là những khối cầu với bản chất là điện môi thì hệ s