Введение
Диффузная спектроскопия отражания или спектроскопия диффузного отражения является подмножеством абсорбционной спектроскопии. Иногда его называют ремиссионной спектроскопией. Ремиссия - это отражение или обратное рассеяние света материалом, в то время как передача - это прохождение света через материал. Слово "ремиссия" подразумевает направление рассеивания, независимое от процесса рассеивания. Ремиссия включает как спеккулярный, так и диффузный обратный рассеянный свет. Слово "отражание" часто подразумевает определенный физический процесс, такой как зеркальное отражение. Использование термина ремиссионная спектроскопия относительно недавно, и впервые обнаружено в применениях, связанных с медициной и биохимией. Хотя термин становится более распространенным в определенных областях абсорбционной спектроскопии, термин диффузное отражение прочно укоренился, как в диффузном отражении инфракрасной трансформации Фурье (DRIFTS) и диффузном отражении ультрафиолетовой видимой спектроскопии.
Математические методы обработки, связанные с диффузной отражательностью и пропускательностью
Математические методы абсорбционной спектроскопии для рассеивающих материалов первоначально были в значительной степени заимствованы из других областей. Наиболее успешные методы лечения используют концепцию разделения образца на слои, называемые плоскопараллельными слоями. Они, как правило, соответствуют двум потокам или двум потокам приближения. Некоторые методы лечения требуют измерения всего рассеянного света, как передаваемого, так и исходящего. Другие применяются только к излучаемому свету, с предположением, что образец имеет "бесконечно большую толщину" и не передает света. Это специальные случаи более общих методов лечения. Существует несколько общих методов, все из которых совместимы друг с другом, связанных с математикой плоских параллельных слоев. Это формулы Стоукса, уравнения Бенфорда, формула конечных различий Гекта и уравнение Дама. и Schuster-Kortüm также дают совместимые результаты. Обработками, которые включают в себя различные допущения и которые дают несовместимые результаты, являются точные решения Джованнелли и теории частиц Меламеда и Симмонса.
Джордж Габриэль Стоукс
Джордж Габриэль Стокс (не пренебрегая поздней работой Густава Кирхгоффа) часто приписывают заслугу за то, что он впервые изложил фундаментальные принципы спектроскопии. В 1862 году Стоукс опубликовал формулы определения количества света, исходящего и передающегося из "кучи пластин". Он описал свою работу как решение "математической проблемы, представляющей определенный интерес". Он решил задачу, используя суммации геометрических рядов, но результаты выражаются как непрерывные функции. Это означает, что результаты могут быть применены к дробным числам таблиц, хотя они имеют предназначенное значение только для целого числа. Результаты приведены ниже в форме, совместимой с неконтинуумными функциями. Стокс использовал термин "рефлексия", а не "ремиссия", в частности, имея в виду то, что часто называют регулярным или зеркальным отражением. В регулярном отражении уравнения Френеля описывают физику, которая включает в себя как отражение, так и преломление, на оптической границе пластины. "Стабло пластин" - это все еще термин, используемый в технике для описания поляризатора, в котором поляризованный луч получается путем наклона стопки пластин под углом к неполяризованному падающему лучу. Область поляризации была именно тем, что интересовало Стоукса в этой математической проблеме.
Франц Артур Фридрих Шустер
В 1905 году в статье под названием "Излучение через туманную атмосферу" Артур Шустер опубликовал решение уравнения радиационного переноса, которое описывает распространение излучения через среду, подверженную процессам поглощения, излучения и рассеивания. Его математика использовала приближение двух потоков; т. е. предполагается, что весь свет движется с компонентом либо в том же направлении, что и падающий луч, либо в противоположном направлении. Он использовал слово рассеивание, а не отражение, и считал, что рассеивание происходит во всех направлениях. Он использовал символы k и s для поглощения и изотропных коэффициентов рассеяния, и неоднократно ссылается на излучение, входящее в "слой", размер которого варьируется от бесконечно малого до бесконечно толстого. При его обработке излучение проникает в слои под всевозможными углами, что называется "диффузным освещением".
Уравнение Кубелька-монах
Уравнение Кубелька-Мунка описывает ремиссию из образца, состоящего из бесконечного числа бесконечно малых слоев, каждый из которых имеет a0 как фракцию поглощения и r0 как фракцию ремиссии.
Дина Б. Джадда
Дина Джадда очень интересовало влияние поляризации света и степень его диффузии на внешний вид объектов. Он внес важный вклад в области колориметрии, цветовой дискриминации, цветового порядка и цветового зрения. Джадд определил силу рассеяния для образца как Sd, где d - диаметр частицы. Это согласуется с убеждением, что рассеивание от одной частицы концептуально более важно, чем выведенные коэффициенты. Вышеуказанное уравнение Кубелька-Мунка может быть решено для соотношения a0/r0 в терминах R∞. Это привело к очень раннему (возможно, первому) использованию термина "ремиссия" вместо "отражаемости", когда Джадд определил "функцию ремиссии" как , где k и s являются коэффициентами поглощения и рассеяния, которые заменяют a0 и r0 в уравнении КубелькаМунка выше. Джадд составил таблицу функции ремиссии как функцию процентной рефлектантности из бесконечно толстого образца. Эта функция, используемая в качестве меры поглощения, иногда называлась "псевдопоглощением", термин, который позже использовался и с другими определениями.
General Electric
В 1920-х и 30-х годах Альберт Х. Тейлор, Артур С. Харди и другие сотрудники компании General Electric разработали серию приборов, способных легко записывать спектральные данные "в отражении". Их предпочтение отображения данных было "% отражаемости". В 1946 году, Фрэнк Бенфорд в 1954 году.
Джованнелли и Чандрасекар
В 1955 году Рон Джованнелли опубликовал ясные выражения для нескольких случаев, которые представляют интерес как точные решения уравнения радиационного переноса для полубесконечного идеального диффузора.
Густав Кортум
Кортум был физико-химиком, который имел широкий спектр интересов и много публиковался. Его исследования охватывали многие аспекты рассеивания света. Он начал объединять то, что было известно в различных областях, чтобы понять, как работает "отражательная спектроскопия". В 1969 году был опубликован английский перевод его книги под названием "Спектроскопия отражения" (длительное время готовилась и переводилась). Эта книга стала доминировать в мышлении дня в течение 20 лет в развивающихся областях как ДРИФТС, так и NIR-спектроскопии. Позиция Кортума заключалась в том, что, поскольку регулярное (или зеркальное) отражение регулируется другими законами, чем диффузное отражение, им следует применять различные математические методы. Он разработал подход, основанный на работе Шустера, игнорируя эмиссивность облаков в "туманной атмосфере". Если мы возьмем α как долю поглощаемого падающего света и σ как долю, изотропически рассеянную одной частицей (на которую Кортум ссылается как на "истинные коэффициенты одиночного рассеяния"), и определим поглощения и изотропическое рассеяние для слоя как и тогда: Это та же "функция ремиссии", что и использовалась Джаддом, но переводчик Кортума назвал ее "так называемой функцией отражения". Если мы заменим обратно свойства частиц, мы получим и затем получим уравнение Шустера для изотропного рассеяния: Кроме того, Кортум получил "экспоненциальное решение Кубелька-Мунка" путем определения k и s как коэффициента поглощения и рассеяния на сантиметр материала и замены: K 2k и S 2s, указывая в сноске, что S является коэффициентом обратного рассеяния. Он пришел к выводу, что он назвал "функцией КубелькаМунка", обычно называемой уравнением КубелькаМунка: Кортум пришел к выводу, что "две постоянные теории Кубельки и Мунка приводят к выводам, доступным для экспериментального тестирования. На практике они подтверждаются, по крайней мере, качественно, и соответствуют условиям, отвечающим за допущения, сделанные, количественно". Кортум, как правило, избегал "теорий частиц", хотя он и записал, что один автор, Н. Т. Меламед из исследовательских лабораторий Вестингхауза, "отбросил идею плоских параллельных слоев и заменил их статистическим суммированием отдельных частиц".
This is the same "remission function" as used by Judd, but Kortüm's translator referred to it as "the so called reflectance function". If we substitute back for the particle properties, we obtain and then we obtain the Schuster equation for isotropic scattering:
Additionally, Kortüm derived "the Kubelka Munk exponential solution" by defining k and s as the absorption and scattering coefficient per centimeter of the material and substituting: K ≡ 2k and S ≡ 2s, while pointing out in a footnote that S is a back scattering coefficient. He wound up with what he called the "Kubelka–Munk function", commonly called the Kubelka–Munk equation:
Kortüm concluded that "the two constant theory of Kubelka and Munk leads to conclusions accessible to experimental test. In practice these are found to be at least qualitatively confirmed, and suitable conditions fulfilling the assumptions made, quantitatively as well." Kortüm tended to eschew the "particle theories", though he did record that one author, N. T. Melamed of Westinghouse Research Labs, "abandoned the idea of plane parallel layers and substituted them with a statistical summation over individual particles."
Дональд Д. Дам, Кевин Д. Дам
В 1994 году Дональд и Кевин Дам начали использовать численные методы для расчета ремиссии и передачи из образцов с различным количеством плоских параллельных слоев из фракций поглощения и ремиссии для одного слоя. Их план состоял в том, чтобы "начать с простой модели, рассматривать проблему численно, а не аналитически, а затем искать аналитические функции, которые описывают численные результаты. Если предположить, что это удастся, модель будет более сложной, что позволит получить более сложные аналитические выражения, в конечном итоге, что приведет к пониманию диффузного отражения на уровне, который соответствует образцам частиц". Успешное применение теории к образцу реального мира с использованием математики плоских параллельных слоев требует присвоения свойств слоям, которые являются представителями образца в целом (что не требует обширной переработки математики). Такой слой назывался репрезентативным слоем, а теория называлась теорией репрезентативного слоя. Декадная абсорбция дисперсной пробы определяется как -log10 ((R+T) или -log10 ((1−A). Для нерассеивающейся выборки 1=R = 0, и выражение становится −log10T или , что более знакомо. В нерассеивающейся пробе абсорбция имеет такое свойство, что числовое значение пропорционально толщине пробы. Следовательно, рассеивание корректированного поглощения может быть обоснованно определено как обладающее этим свойством. Если измерены фракции ремиссии и передачи для образца, Rs и Ts, то корректированная рассеянием абсорбция должна иметь половину значения для половины толщины образца. Вычисляя значения R и T для последовательно более тонких образцов с использованием уравнений Бенфорда для половины толщины, будет достигнуто место, где для последовательных значений n (0,1,2,3, ), выражение 2 ^ ((n) (−log ((R + T)) становится постоянным в пределах некоторого определенного предела, обычно 0,01 единицы поглощения. Это значение - корректированная рассеянием поглощаемость.
Погашение
В спектроскопии ремиссия относится к отражению или обратному рассеянию света материалом. Хотя это слово похоже на слово "реэмиссия", это свет, который рассеивается обратно от материала, в отличие от того, который "передается" через материал. Слово "реэмиссия" не подразумевает такого направленного характера. Основываясь на происхождении слова "emit", которое означает "отправить или увести", "re emit" означает "отправить снова", "transmit" означает "отправить через или через", а "remit" означает "отправить обратно".
Плоско-параллельные слои
В спектроскопии термин "равномерные параллельные слои" может использоваться в качестве математической конструкции при обсуждении теории. Слои считаются полубесконечными. (В математике полунеограниченные объекты - это объекты, которые бесконечны или неограничены некоторыми, но не всеми возможными способами.) Как правило, полубесконечный слой представляется как ограниченный двумя плоскими параллельными плоскостями, каждая из которых простирается бесконечно и нормальна (перпендикулярно) к направлению коллимированного (или направленного) падающего луча. Плоскости не обязательно являются физическими поверхностями, которые преломляют и отражают свет, но могут просто описывать математическую плоскость, подвешенную в пространстве. Когда плоские параллельные слои имеют поверхности, их называют пластинами, листами или плитами.
Репрезентативный слой
Термин "репрезентативный слой" относится к гипотетическому плоскому параллельному слою, который имеет свойства, относящиеся к абсорбционной спектроскопии, которые являются репрезентативными для образца в целом. Для образцов твердых частиц слой является репрезентативным, если каждый тип частиц в образце составляет ту же долю объема и площади поверхности в слое, что и в образце. Порожная доля в слое также такая же, как и в образце. В теории репрезентативного слоя подразумевается, что поглощение происходит на молекулярном уровне, но рассеивание происходит от целой частицы.