Большая Советская Энциклопедия.

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 23.10.2017 05:43:20


05:14 Браудеру аннулировали американскую визу
04:48 Египтянин до смерти забил пятилетнюю дочь за невыполнение домашнего задания
04:11 Палестинец пожелал всем доброго утра и оказался в полиции
03:48 Главнокомандующего армией Индонезии позвали в США и отказались пустить в страну
01:52 В Швейцарии подросток из Латвии с топором набросился на прохожих
00:57 Мексиканцы заинтересовались российскими МС-21