КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Взаимодействие видимого излучения с веществом
Видимая область спектра имеет диапазон 380-760 нм. Спектр видимого излучения может быть непрерывным, линейчатым, полосчатым в зависимости от природы источника и применяемых оптических элементов систем.
С точки зрения электронной теории взаимодействие света с веществом заключается в воздействии электромагнитного поля световой волны на внешние электроны вещества, в результате чего возбуждаются колебания связанных зарядов (ионов, электронов) в направлении, совпадающем с колебаниями электрического вектора падающей световой волны. В процессе вынужденных колебаний заряженных частиц в молекулах периодически с вынуждающей частотой изменяются их дипольные электрические моменты. При этом излучаются вторичные электромагнитные волны с длиной, равной длине волны падающего света. Первичные и вторичные волны когерентны между собой и могут взаимно интерферировать. При взаимодействии может возникнуть излучение, длина волны которого может отличаться от длины волны первичного излучения. Это явление называется комбинационнымрассеянием света.
При падении световой электромагнитной волны на границу раздела двух различных сред в результате интерференции первичной и вторичной волн образуется отраженная волна, распространяющаяся в той же среде, что и первичная, и преломлѐнная волна, распространяющаяся во второй среде.
Зависимость коэффициента отражения вещества от длины волны R(λ) называется спектром отражения. Видом спектра объясняется окрашенность вещества в отражѐнном свете.
Пространственное распределение отраженного излучения и его интенсивность определяются соотношением между λ и размером неровностей, их ориентаций и распределением на поверхности, условиями освещения и свойствами отражающей среды.
Если свет падает на плоскую поверхность (размеры неровностей поверхности существенно меньше λ) оптически однородного вещества, то угол падения первичной волны равен углу отражения вторичной волны. Такое отражение называется зеркальным. Зеркальная компонента, возникающая в результате отражения без прохождения внутрь, описывается формулой Френеля (при нормальном падении света):
где K – показатель (коэффициент) поглощения вещества; n – показатель преломления при переходе из воздуха в вещество.
Для прозрачных кристаллов зеркальная компонента:
Диффузная составляющая отражѐнного света возникает как при взаимодействии световой волны с поверхностью вещества, так и при внутреннем отражении света от вещества.
Если поверхность вещества шероховата (размеры неровностей сопоставимы с длиной волны λ либо больше), то отражѐнный свет, вследствие пространственной ориентации микрограней, будет распространяться по всем направлениям.
Диффузная компонента отражѐнного света возникает и в результате поглощения света веществом и появления его на освещѐнной поверхности после многократного рассеяния на оптических неоднородностях в объѐме вещества, вследствие дифракции (внутреннее отражение).
Чаще всего в реальных условиях имеет место смешанное отражение света. Отражение света сопровождается его частичной поляризацией, в
результате которой часть отражѐнного света приобретает определѐнную ориентацию векторов электрической и магнитной напряжѐнностей.
Преломление света меняет направление распространения световой волны при переходе из одной среды в другую по закону:
sinθ2= sinθ1 n21,
где θ1 и θ2 – углы соответственно падающей и преломлѐнной волн; n21 – относительный показатель преломления среды распространения преломлѐнного света (относительно среды распространения падающего света).
Преломление света наиболее значимо для прозрачных и полупрозрачных тел. Зависимость коэффициента пропускания вещества от длины волны η (λ) называется спектром пропускания вещества.
Прохождение света через вещество также сопровождается поглощением света, то есть потерей энергии волны.
Свет, отражѐнный от границы раздела сред, и свет, возвращающийся из второй среды в первую (выходящий из куска), распространяются в различных направлениях.
Если условно разделить возможные направления рассеяния первичного светового потока на рассеянный назад (отражѐнный) Фн, рассеянный вперѐд Фп, рассеянный в стороны Фс и учесть, что часть первичного светового потока Ф0 поглощается телом, можно ввести коэффициенты:
отражения
пропускания
рассеяния
поглощения
При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникает ток, электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит практически к полному отражению света. В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определѐнной частоты. Поэтому непрозрачные вещества приобретают окраску.
Коэффициент отражения света R – величина, равная отношению потока энергии отражѐнной волны к потоку энергии волны, падающей на поверхность раздела двух сред.
Поглощение света – это уменьшение его интенсивности при прохождении через материальную среду за счѐт его взаимодействия со средой.
Световая энергия при поглощении переходит в различные формы внутренней энергии среды (например, в тепловую), она также может быть переизлучена средой (полностью или частично) на частотах, отличных от частоты поглощѐнного излучения (комбинационное рассеяние).
Закон Бугера описывает зависимость интенсивности прошедшего через слой вещества света от интенсивности исходного светового потока:
где Kл – линейный коэффициент поглощения, который имеет различные значения при разных λ, м-1; x – толщина слоя вещества, м.
Со световой волной «резонируют» (следовательно, поглощают некоторую энергию) атомы, молекулы и связи между ними, имеющие близкие частоты собственных колебаний.
Зависимость Kл от λ называют спектром поглощения вещества. Характер собственных колебаний сказывается на характере связи Kл(λ).
Этой зависимостью объясняется окрашенность поглощающих (неполная прозрачность или непрозрачность) тел.
Линейный коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (10-3÷10-1 м-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света внутри вещества в определѐнных интервалах длин волн.
В диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.
Линейный коэффициент поглощения для металлов имеет значительно большие значения (≈105÷107 м-1), и потому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию
металла. Чем выше проводимость проводника, тем сильнее в нѐм поглощение света, то есть Kл сильно зависит от электропроводности. Та часть излучения, которая не поглощена телом, рассеивается им.
К рассеиваемому излучению относятся, во-первых, всѐ отражѐнное (рассеянное) на границе сред при попадании света в вещество, во-вторых, рассеянное внутри оптически неоднородной среды и вышедшее из неѐ при обратном переходе из второй среды в первую, в-третьих, прошедшее сквозь слой вещества без внутреннего рассеяния.
В оптически неоднородной среде происходит дифракция света. Дифрагируя однократно или на множестве неоднородностей среды, свет по всем направлениям распределяется довольно равномерно. Такое рассеяние света в объѐме среды происходит на неоднородностях данной среды и проявляется при обратном выходе излучения на границе раздела фаз (например, кусок-воздух).
Для малых размеров неоднородностей (l<0,1λ) справедлив закон Релея:
В однородных беспримесных средах при флуктуациях плотности, анизотропии и концентрациях атомов и молекул возможно молекулярное рассеяние.
Проявление дифракции в оптически неоднородных средах и такое рассеяние света характерно для полупрозрачных сред (кусков).
Интенсивность рассеянного излучения у полупрозрачных тел за счѐт избирательного поглощения может зависеть от λ (селективный характер). Результатом этого является изменение сложного по спектральному составу света при рассеянии по сравнению с первичным, что при освещении белым светом визуально воспринимается как окраска тел.
Комбинационное рассеяние света (КРС) – это такое рассеяние света при взаимодействии с веществом, при котором изменяется частота рассеиваемого света (уменьшается – красный, он же стоксов, сдвиг, увеличивается – фиолетовый, он же антистоксов, сдвиг).
Интенсивность антистоксовых линий намного меньше, чем стоксовых. Существенное изменение частоты рассеиваемого света происходит, если источник испускает линейчатый спектр (например, лазер) и интенсивный пучок света концентрируется на изучаемом объекте. При комбинационном рассеянии света (КРС) первичный световой поток преобразуется во вторичный, что сопровождается переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни. Частоты новых линий в спектре рассеяния – это комбинации частот первичного потока света и частот колебательных и вращательных переходов рассеивающих молекул.
Вероятность комбинационного рассеяния света растѐт с увеличением интенсивности возбуждающего света.
Комбинационное рассеяние проявляется при освещении алмазов лучом лазера (например, с источником излучения He-Ne лазером при λ=633 нм имеет место комбинационное рассеяние на длине волны λ=691,1 нм, что соответствует первому порядку линий КРС).
В кристаллах алмаза линия рассеяния уширяется, а интенсивность линии снижается, если алмазы имеют дефекты кристаллической решѐтки или внутренние напряжения. Интенсивность полосы рассеяния у наиболее качественных алмазов отличается от прочих в десятки раз.
Мощное лазерное излучение видимого диапазона может вызывать люминесценцию алмазов и отдельных сопутствующих минералов. Спектр люминесцентного излучения начинается от линии возбуждающего света и продолжается далеко в инфракрасную область.
Для непрозрачных объектов важна степень детализации контролируемой поверхности (размер пятна сканирования).
Степень детализации может быть различной: вся поверхность куска (интегральный «осмотр»), часть поверхности куска от еѐ половины при одностороннем «осмотре» до площадей в десятые доли миллиметра при сканировании поверхности «пятном». Степень детализации при измерении важна для кусков-сростков с разным характером минерализации. Детальное сканирование позволяет определять поверхностное содержание минерала.
Комбинации перечисленных характеристик являются основой разновидностей фотометрического метода измерения и фотометрической сепарации, отличающихся оптическими свойствами минералов.
Пространственное распределение интенсивности рассеянного излучения при освещении тела направленным потоком параллельных лучей характеризуется индикатрисой рассеяния.
На рис. 6.7 приведены плоские сечения вариантов индикатрис рассеяния для кусков прозрачного (а), полупрозрачного (б), непрозрачного с зеркально (в) и диффузионно (г) отражающими поверхностями при взаимодействии с первичным излучением.
Наиболее полной информацией об объекте сортировки является совокупность пространственных характеристик рассеяния, спектральных характеристик и интенсивности рассеянного излучения (рассеянного назад: отражѐнного зеркально (в), отражѐнного диффузно (г); рассеянного вперѐд, т. е. прошедшего (а), рассеянного во все стороны – (б) на рис. 6.7).
Рис. 6.7. Плоские сечения вариантов индикатрис рассеяния для различных кусков:
а – прозрачный кусок; б – полупрозрачный кусок;
в – непрозрачный кусок с зеркальным отражением;
г – непрозрачный кусок с диффузным отражением
В различных способах фотометрической сепарации могут быть применены такие характеристики взаимодействия света с кусками, как интенсивность и спектральные характеристики диффузного отражения (для разделения объектов
непрозрачных с шероховатыми поверхностями), интенсивность и спектральные характеристики зеркального отражения (для разделения непрозрачных объектов с гладкими плоскими и шероховатыми поверхностями), интенсивность и спектральные характеристики пропускания (для разделения объектов прозрачных или полупрозрачных от непрозрачных), интенсивность и спектральные характеристики интегрального рассеяния (разделение объектов, отличающихся спектрами поглощения), характеристики пространственного распределения интенсивности рассеяния света (разделение объектов с различными сочетаниями блеска, прозрачности, полупрозрачности).
Характер спектра отражения минерала определяет яркость минерала по интенсивности белого цвета (среднее значение коэффициента отражения в спектре) и цвет или цветовой оттенок (дисперсия коэффициента отражения).
Насыщенность цвета определяется различием коэффициентов отражения на разных длинах волн. Большие различия характеризуют цвет, небольшие – цветовой оттенок (кремовый, желтоватый, голубоватый, сиреневый и т. д.), при очень малых различиях минералы имеют белый или серый цвета различной яркости.
В общем случае весь спектр является наиболее полной информативной характеристикой, в практических реализациях функцию R(λ) заменяют на несколько значений коэффициентов отражения на разных длинах волн (2, 3 и более). Их далее преобразуют в единый аналитический параметр θ( …). Если выделяют два спектральных участка, то метод измерения называют бихроматическим.
В простейших случаях таким параметром может быть спектральное
| отношение | и т. п. Насыщенность количественно можно | оценить |
| относительной | разностью коэффициентов отражения минерала R | на двух |
длинах волн – λ1 (440 нм) и λ2 (700 нм).
На рис. 6.8 приведены спектры отражения некоторых рудных минералов, которые получены на аншлифах со специальными приставками к микроскопу. Среди них имеются примеры спектров отражения «бесцветных» и цветных минералов.
Следует заметить, что такие спектры отражения (см. рис. 6.8) получены под микроскопом с весьма малых по площади отполированных поверхностей. Крупные или большие скопления включений в массе кусков руды таких минералов встречаются крайне редко. Поэтому напрямую оценивать содержания многих рудных минералов в кусках представляется малоперспективным.
Рис. 6.8. Спектры отражения рудных минералов
Оптические методы идентификации минералов могут быть применены при больших содержаниях минералов в руде и в отдельных кусках или при тесной корреляционной связи между содержаниями рудного минерала (при его малых концентрациях в руде и кусках и мелкой вкрапленности) и преобладающего породообразующего минерала, например, золото в кварце.
Цвет рудных минералов в штуфе отличается от цвета в аншлифе, а спектр отражения штуфа имеет существенно меньшую дисперсию. Как правило, он существенно более бледный и может характеризоваться металловидными оттенками серого и чѐрного цветов. Во многих случаях истинный цвет минерала маскируется окисными плѐнками, побежалостями, вызывающими интерференционные эффекты.
На поверхности минералов, вследствие механической обработки при добыче, дроблении, грохочении, почти всегда образуются шероховатости, потѐртости. Шероховатая поверхность минерала имеет спектр отражения, близкий к спектру отражения черты минерала или этого минерала в тонкодисперсном состоянии. Такой спектр имеет меньший, чем в штуфе, общий уровень коэффициента отражения и меньшую его дисперсию.
Нерудные минералы и горные породы имеют не меньшее разнообразие цветов. В отдельных случаях им свойственна прозрачность в кусках. И главное, во многих случаях раскрытие разделяемых фаз у нерудных полезных ископаемых происходит в значительной крупности, сопоставимой с крупностью сортируемой горной массы или, по крайней мере, превосходящей размер «пятна» сканирования кусков.
По указанным причинам измеряемые в сепараторах оптические характеристики нерудных минералов и горных пород более информативны, чем рудных. Поэтому фотометрическая сепарация более перспективна для нерудных полезных ископаемых.
Механические повреждения поверхности кусков при добыче и подготовке сырья к разделению меняют спектры отражения, как у нерудных минералов, так и у рудных. Как правило, уровень отражения у светлых минералов повышается, у тѐмных минералов снижается, а дисперсия снижается в обоих случаях.
Возможными причинами изменчивости оптических свойств являются наличие микропримесей некоторых элементов даже при их малых концентрациях, непостоянство химического состава, разнообразные дефекты кристаллической решѐтки.
В отдельных случаях примеси в естественном состоянии не проявляются, но от них необходимо избавиться при обогащении.
Спектр отражения минерала значительно меняет свои параметры и при изменении влажности поверхности кусков.
Использование спектральных характеристик отражения и поглощения для фотометрической сепарации возможно в различных вариантах с измерением интенсивности отражѐнного, рассеянного или прошедшего через кусок света в нескольких узких спектральных областях. Два из них рассмотрены ранее.
Для выявления спектральных различий в разных измерительных системах применяют полихроматические источники света и узкополосные светофильтры, светодиоды, лазеры. Интенсивность света по каждому спектральному каналу (координата) может кодироваться, и для каждого канала могут быть установлены свои границы, входящие в общий алгоритм принятия решения о минералогической принадлежности куска.
Окраска минерала определяется степенью его дисперсности. У минералов
с металлическим блеском мелкодисперсные частицы обычно темнее, чем минерал в куске. У минералов с полуметаллическим блеском мелкодисперсные частицы или аналогичны минералу в куске, или светлее его. Преобладают коричневые оттенки. Минералы с алмазным блеском в порошке имеют красный, оранжевый, жѐлтый цвета разной яркости и тона. У бесцветных минералов с алмазным блеском порошок имеет белый цвет.
У порошков минералов со стеклянным блеском белый или светло-серый цвета с различными оттенками, а куски этих минералов с «потѐртой» шероховатой поверхностью (множеством случайным образом ориентированных микрограней) имеют более светлые тона, чем у тех же кусков
с гладкой поверхностью.
В настоящее время для оценки цвета используют лишѐнные субъективизма системы измерения, использующие принципы смешения цветов. Количественные измерения цвета основываются на оптических спектрах отражения и поглощения.
Любой цвет можно воспроизвести путѐм смешения различных комбинаций других цветов, причѐм таких комбинаций существует бесконечное множество. В соответствии с законом Грассмана, минимально необходимое для воспроизведения путѐм смешения количество цветов равно трѐм:
Ц0=aЦ1+bЦ2+cЦ3,
где Ц1, Ц2, Ц3 – независимые цвета-векторы, то есть такие, что смешением двух цветов нельзя получить третий (обычно это красный, зелѐный, синий); a, b, c – числовые весовые коэффициенты.
Ц1, Ц2, Ц3 – это основные цвета. В 1931 г. Международной комиссией по освещению была утверждена трѐхцветная система RGB. В ней единичные цвета
– это монохроматические излучения с длинами волн: R (красный) – 700 нм, G (зелѐный) – 546,1 нм и B (синий) – 435,8 нм. Любой цвет в этой системе есть комбинация цветов R, G и B, которые взяты в количествах r, g, b: F=rR+gG+bB. Эти координаты полностью характеризуют цвет излучения по яркости и по цветности.
В другой международной колориметрической системе XYZ (МКО, 1931 г.) основные цвета R, G, B заменены нереальными цветами X, Y, Z. Цветовой вектор в прямоугольной системе координат XYZ (соответствуют основными цветам) задается в виде
где – коэффициенты, указывающие на относительное содержание основных цветов.
Цветность задаѐтся с помощью координат цветности x, y, z, где
Так как x + y + z = 1, для описания цветности достаточно использовать две координаты, обычно x и y.
На рис. 6.9 приведена цветовая диаграмма в координатах x и y. Системы RGB и XYZ позволяют переходить от одной к другой и обратно.
Описанные системы и прочие аналогичные им могут быть использованы для кодирования и распознавания цвета объектов разделения в информационных методах обогащения.
Чаще других фотометрических методов используется фотоотражательный, в отдельных специфических случаях могут быть применены фотоабсорбционный и зеркальный фотометрический методы, к перспективным для специальных задач относят основанный на использовании комбинационного рассеяния света КРС-метод.
В современных фотометрических сепараторах используются системы координатного (чаще трѐхкоординатного, например RGB) кодирования спектров отражения и поглощения сортируемых кусков минералов и горных пород с заданием пороговых значений по всем координатам.
Рис. 6.9. Расположение областей цветности различных цветов на цветовой диаграмме
Дата добавления: 2014-12-23; просмотров: 951; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав |