Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Поглощение света

Поглощение света (далее П) уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через материальную среду, за счет процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П переходит в различные формы внутренней энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощенного излучения.

  Основной закон, описывающий П, — закон Бугера , который связывает интенсивности света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока 0. Не зависящий от , 0 и l коэффициент kl называется поглощения показателем (ПП, в спектроскопии — поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света l. Этот закон установил на опыте в 1729 П. Бугер. В 1760 И. Ламберт вывел его теоретически из очень простых предположений, сводящихся к тому, что при прохождении слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на долю, которая зависит только от ПП и толщины слоя, т. е. dl/l= —kldl (дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физический смысл закона состоит в том, что ПП не зависит от и l (это было проверено С. И. Вавиловым экспериментально с изменением ~ в 1020 раз).

  Зависимость kl от l называется спектром поглощения вещества. Для изолированных (например, в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е. k l отличен от 0 лишь в определенных узких диапазонах длин волн (шириной в десятые — сотые доли ). Эти диапазоны соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри "резонирующих" с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1). Спектры П отдельных молекул также соответствуют собственным частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самих которые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектры П занимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч . Наконец, П жидкостями и твердыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч ) с большими значениями kl и плавным ходом его изменения (рис. 2). Качественно это можно объяснить тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них. Другими словами, со световой волной "резонируют" не только отдельные частицы, но и многочисленные связи между ними. Об этом свидетельствует, например, изменение П молекулярными газами с ростом давления — чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем "расплывчатее" полосы поглощения, которые при высоких давлениях становятся сходными со спектрами П жидкостями.

  Еще Бугер высказал убеждение, что для П важны "не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах". Позднее немецкий ученый А. Бер (1852) экспериментально подтвердил это, показав, что при П молекулами газа или вещества, растворенного в практически непоглощающем растворителе, ПП пропорционален числу поглощающих молекул на единицу объема (и, следовательно, на единицу длины пути световой волны), т. е. концентрации с: kl = clс (правило Бера). Так закон П приобрел вид Бугера — Ламберта — Бера закона; ; где cl не зависит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физический смысл правила Бера состоит в утверждении независимости П молекулами от их взаимодействия с окружением, и в реальных газах (даже при невысоких давлениях) и растворах наблюдаются многочисленные отступления от него.

  Сказанное выше относится к средам сравнительно малой оптической толщины, равной (в пренебрежении рассеянием света) kll. При возрастании kll П средой усиливается на всех частотах — линии и полосы поглощения расширяются. (Объяснение этому дает квантовая теория П, учитывающая, в частности, многократное рассеяние фотонов в оптически "толстой" среде с изменением их частоты и, в конечном счете, поглощением их частицами среды.) При достаточно больших kll среда поглощает все проникающее в нее излучение как абсолютно черное тело.

  В проводящих средах (металлах, плазме и т.д.) световая энергия передается не только связанным электронам, но и (часто преимущественно) свободным электронам, kl в таких средах сильно зависит от их электропроводности а. Значительное П в проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащий kl входит в выражение для комплексного преломления показателя среды. В несколько идеализированном случае П только свободными электронами (электронами проводимости) nkl = 4ps/c (n — действительная часть показателя преломления, с — скорость света). Измерения П металлами позволяют определить многие характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются современной квантовой теорией металлооптики. В теоретических расчетах часто пользуются величиной c, связанной с kl  соотношением , где l — длина волны света в вакууме (а не в среде). Если (nc) равно 1, то в слое среды толщиной l интенсивность света уменьшается в е4p, т. е. ~ в 100 000 раз. Т. к. очень сильное П характерно для металлов (по крайней мере в видимой и инфракрасной областях спектра), то, по предложению М. Планка, П средами с (nc) ³ 1 называется "металлическим".

  В терминах квантовой теории при П электроны в поглощающих ионах, молекулах или твердых телах переходят с более низких уровней энергии на более высокие (см. также Квантовые переходы). Обратный переход в основное состояние или в "нижнее" возбужденное состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно. В последнем случае энергия возбужденной частицы может, например, в столкновении с др. частицей перейти в кинетическую энергию сталкивающихся частиц (см. Столкновения атомные). Тип "обратного" перехода определяет, в какую форму энергии среды превращается энергия поглощенного света.

  В световых потоках чрезвычайно большой интенсивности П многими средами перестает подчиняться закону Бугера — kl начинает зависеть от . Связь между и 0 становится нелинейной (нелинейное П). Этот эффект, в частности, может быть обусловлен тем, что очень большая доля поглощающих частиц, перейдя в возбужденное состояние и оставаясь в нем сравнительно долго, меняет (или совсем теряет) способность поглощать свет, что, разумеется, заметно изменяет характер П средой. (Опыты Вавилова, показавшие соблюдение закона Бугера и при больших интенсивностях, выполнялись с веществами, молекулы которых возбуждаются очень ненадолго — на время ~ 10-8 сек — и в которых поэтому доля возбужденных молекул всегда невелика.) Особый интерес представляет ситуация, когда в поглощающей среде искусственно создана инверсия населенностей энергетических уровней, при которой число возбужденных состояний на верхнем уровне больше, чем на нижнем. В этом случае каждый фотон из падающего потока вызывает испускание еще одного точно такого же фотона с большей вероятностью, чем поглощается сам (см. Излучение, в разделе Квантовая теория излучения). В результате интенсивность выходящего потока превосходит интенсивность падающего 0, т. е. имеет место усиление света. Формально это явление соответствует отрицательности kl в законе Бугера и поэтому носит название отрицательного П На отрицательном П основано действие оптических квантовых усилителей и оптических квантовых генераторов (лазеров).

  П широчайшим образом используется в различных областях науки и техники. Так, на нем основаны многие особо высокочувствительные методы количественного и качественного анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия и пр. Вид спектра П удается связать с структурой вещества, установить в молекулах наличие определенных связей (например, водородной связи), исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников и многих др. ПП можно определять и в проходящем, и в отраженном свете, т.к. интенсивность и поляризация света при отражении света зависят от kl (см. Френеля формулы). См. также Металлооптика, Спектроскопия.

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Ельяшевич М. А., и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Гайтлер В., Квантовая теория излучения, пер. с англ., М., 1956; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Мосс Т., Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961.

  А. П. Гагарин.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 14.08.2022 11:49:58