L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. On utilise aussi les termesdensité optique,opacité ouextinction selon les domaines avec des expressions mathématiques qui diffèrent légèrement.
Enphotographie, l'opacitéO désigne, dans le cas d'une observation par transmission, l'inverse ducoefficient de transmissionT[1], alors également nommétransparence, ou, dans le cas d'une observation par réflexion, l'inverse de laréflectanceρ.
Enspectrophotométrie, notamment dans le domaine des mesures de concentrations chimiques, l'absorbanceA est lelogarithme décimal du rapport entre l'intensité énergétiqueI0 à unelongueur d'onde donnée, avant traversée du milieu, et l'intensité énergétique transmiseI[2] :
L'absorbance diffère selon la nature de la substance étudiée, selon la longueur d'onde sous laquelle elle est analysée, et selon la concentration de cette substance dans le milieu traversé. Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux, pour autant qu'il soit transparent. Elle est couramment mesurée par unspectrophotomètre. Elle prend théoriquement une valeur entre 0 et l'infini, mais techniquement il n'est pas aisé de mesurer un rapport supérieur à mille. Les spectrophotomètres usuels ne donnent donc pas de valeur d'absorbance supérieure à 3. Pour étudier une substance fortement absorbante, il faut en diminuer l'épaisseur ou la concentration.
En photographie, ladensité optiqueD est équivalente à l'absorbance en spectrométrie, mais toujours mesurée dans le domaine de sensibilité des surfaces sensibles.
Elle est utilisée pour caractériser lesfiltres colorés, correcteurs detempérature de couleur ouà densité neutre mais aussi la transparence d'unepellicule photographique développée.
Enradiométrie, on définit les quantités suivantes pour un milieu de longueurl et d'indice réfractionn traversé par une lumière d'intensité incidenteI0 et d'intensité transmiseI.
| Quantité | Expression |
|---|---|
| Transmittance oufacteur de transmission ou transparence[1] | |
| Épaisseur optique | |
| Opacité[1] | |
| Densité optique[1] | |
| Atténuation (dB) | |
| Atténuation linéique (dB⋅m−1)[réf. nécessaire] | |
| Coefficient d'atténuation linéique (m−1) | |
| Absorbance[2] | |
| Chemin optique (m) | |
| Coefficient d'absorption, absorptivité[3] (m−1) | ou |
| Coefficient d'absorption molaire ou absorptivité molaire[4] (m2⋅mol−1) | ou |
Lorsqu'on s'intéresse à la lumière réfléchie par un objet, et non à la lumière qu'il transmet, les définitions ci-dessus s'appliquent toujours en remplaçant la transmittanceT par la réflectanceρ.
Par exemple, pour :
Dans le domaine de la photographie, les fabricants defiltres renseignent leur documentations techniques :
| TransmittanceT | OpacitéO | Densité optiqueD | Stop-value ΔI |
|---|---|---|---|
| 79 % | 1,3 | 0,1 | 1/3stop |
| 63 % | 1,6 | 0,2 | 2/3stop |
| 50 % | 2 | 0,3 | 1stop |
| 25 % | 4 | 0,6 | 2stops |
| 12,5 % | 8 | 0,9 | 3stops |
Dans le dernier cas, le filtre ne laisse passer qu'un huitième de la lumière : le photographe devra, pour maintenir la mêmeexposition lumineuse, soit ouvrir de trois « diaph », soit multiplier par 8 letemps de pose. Enphotographie numérique, il est aussi possible de multiplier par 8 lasensibilité ISO. En vidéo, on peut ajouter trois fois un gain de 6 dB, soit 18 dB.
La densité optique est le plus souvent définie à partir de la transmittance[5],[1] :
Dans le cas fréquent d'un négatif ou interpositif destiné à la reproduction, la densité se mesure dans le domaine de sensibilité de la pellicule qui doit reproduire. En noir et blanc, ces surfaces destinées à la reproduction sont la plupart du temps non chromatisées, sensibles uniquement au bleu. En couleurs, on mesure normalement avec des filtres correspondant aux trois couleurs primaires.
Pour lespellicules photographiques la densité optique après développement dépend du logarithme de l'exposition lumineuse et la relation est représentée sur lacourbe caractéristique. La pente de la partie droite de la courbe est d'autant plus élevée que le film est contrasté. Cette pente est appelée legamma de la pellicule. Il en va de même pour le tirage sur papier photographique.
Soit un faisceau de lumièremonochromatique qui traverse une couche de matière transparente (comme un morceau de glace par exemple). Une part de l'énergie rayonnante passera à travers cette substance (énergie transmise), mais une partie seraréfléchie et une autre absorbée. Laconservation de l'énergie incidente se traduit par la relation :où
L'énergie perdue par la réflexion est minimisée en effectuant des mesures en incidence normale (angle pour lequel la réflexion partielle est faible). Elle est prise en compte en comparant l'énergie transmise à celle passant dans un système équivalent (même matériau, même géométrie) mais ne contenant pas la substance à analyser (par exemple une cellule de référence enspectroscopie usuelle). On s'intéressera alors à la relation entre énergie incidente et énergie transmise. Cette relation a été formulée parPierre Bouguer en1729. La loi de Bouguer (connue aussi comme la loi deLambert) consiste en deux parties : la première définit la transmittance, la seconde la variation de l'absorbance en fonction de l'épaisseur de la couche de substance traversée par la lumière.
Comme convenu précédemment, l'énergie transmise par un milieu homogène est proportionnelle à l'énergie appliquée sur celui-ci. Ainsi, l'énergie transmise par celui-ci sera toujours une partie de l'énergie totale appliquée. Ce rapport est défini comme la transmittanceT, qui s'exprime donc comme.Pour une substance donnée, avec une épaisseur et une longueur d'onde définies,T est une constante.
Supposons qu'une substance, d'un centimètre d'épaisseur permet à 50 % de l'énergie reçue de la traverser. Autrement dit, sa transmittance vaut 0,5. Si cette lumière obtenue passe par une deuxième couche de même épaisseur, une nouvelle fois seuls 50 % de celle-ci réussiront à passer à travers. Au passage successif par les deux couches, seulement 25 % de l'énergie de la lumière incidente ont été transmis par 2 cm de cette substance (0,5 x 0,5 = 0,52 = 0,25). De même, 3 cm transmettront 12,5 % du total reçu (0,5 x 0,5 x 0,5 = 0,53 = 0,125). Il s'agit donc là d'uneprogression géométrique : la transmittance ne diminue donc pas d'une manière linéaire quand l'épaisseur augmente, maisexponentielle (voir figure). En conséquence, lelogarithme deT (logT) diminue linéairement en fonction de l'épaisseur[a].
Le changement subi par l'énergie rayonnante en fonction de la longueur du trajet optique traversé, est défini par la relation :,où est une constante de proportionnalité.
En intégrant cette équation, on obtient :,d'où :.
Pour les chimistes, on remplace lelogarithme népérien par lelogarithme décimal en divisant le facteur par ln 10 ≈ 2,303 et en incorporant le résultat dans une nouvelle constante notée :,donc :.
On définit maintenant l'absorbance par :,où est lecoefficient d'absorption ou l'absorptivité du milieu, exprimé en m−1 ou cm−1.
Dans une solution, on peut diviser le coefficient d'absorption par laconcentration molaire des entités contenues dans le volume traversé par un faisceau lumineux :,où
Le coefficient d'absorption molaire dépend de la nature du corps absorbant, de la longueur d'onde choisie et de la température.
Pour plus de détails, voir l'articleLoi de Beer-Lambert
Utilisant le même raisonnement que celui de la loi de Bouguer,August Beer propose en1852 une équation reliant l'absorbance et la transmittance à laconcentration d'une substance en solution. La loi est énoncée de la manière suivante :.
L'absorptivitéa peut être remplacée dans l'équation par le coefficient d'extinction molaireε comme défini précédemment. Alors, par la combinaison des deux équations, on obtient laloi de Beer–Bouguer mieux connue comme laloi de Beer–Lambert :.
La mesure de l'absorbance se fait grâce à unspectrophotomètre.l est la longueur du chemin optique traversé par la lumière dans la solution en cm. En pratique, cette longueur correspond à l'épaisseur de la cuve de mesure (généralement prise de 1 cm).
Cette loi permet aux chimistes de déterminer la concentration inconnue d'un ou plusieurs éléments dans une solution donnée. Toutefois, cette proportionnalité entre la concentration et l'absorbance ne serait plus applicable pourc > 0,01 mol⋅L−1 (car le phénomène de réflexion n'est plus négligeable).
Si un élément n'absorbe pas assez la lumière pour effectuer des mesures correctes, on le fait réagir avec un autre élément pour que le produit de la réaction affiche une couleur bien visible.L'intensité de la coloration obtenue est proportionnelle à la concentration réelle.
Laturbidimétrie se base sur un système de détection optique qui mesure laturbidité, c'est-à-dire la concentration de très petites particules en suspension dans une solution (mg⋅L−1). La lumière transmise à travers un milieu turbide dépend de la concentration en objets diffusants et de leurs sections efficaces d’extinction, donc de leurs tailles, leurs formes, leursindices de réfraction, et de la longueur d’onde considérée. Pour de faibles concentrations, l'intensité transmise peut être déterminée par la loi de Beer–Lambert. La mesure de l'intensité transmise permet ainsi, de remonter à la distribution de taille et à la concentration des particules absorbantes.
