Законы поглощения света

Формулируя законы отражения и преломления света, мы основывались только на опытных данных. Эти законы дают правильный ответ на вопрос о направлении отраженной и преломленной волн, но ничего не говорят о том, каким образом влияет на световую волну вещество тех сред, через которые проходит свет.

Распространение света в веществе представляет собой взаимодействие электромагнитного поля световой волны с электронной оболочкой атомов и молекул. Частота переменного электрического поля световой волны очень велика: около 10¹⁵Гц. Поэтому только заряженные частицы очень маленькой массы могут следовать за изменением поля световой волны. Такими частицами являются электроны. Атомы и их ядра не могут следовать за изменением этого поля в силу их большой инертной массы.

Взаимодействие электронной оболочки атомов с электромагнитным полем световой волны приводит к их возбуждению. Возбужденные атомы, приходя в нормальное (невозбужденное) состояние, излучают электромагнитные волны, получившие название вторичных волн (или вторичного излучения). Поскольку среднее расстояние между атомами в жидкостях и твердых телах мало по сравнению с длиной цуга волн (около 3м), то электронные оболочки большого числа атомов возбуждаются одним цугом волн. Поэтому вторичные волны оказываются когерентными как между собой, так и с падающей световой волной. Эти волны взаимно интерферируют. Их интерференцией объясняются явления отражения, преломления и рассеяния света в веществе.

Дисперсия света

Дисперсией света называется совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины световой волны. Первые экспериментальные исследования этой зависимости принадлежат Ньютону, который произвел (1672 г.) знаменитый опыт с разложением света на цвета (в спектр) при преломлении в призме. В прозрачных бесцветных средах показатель преломления n растет с уменьшением длины волны λ ₀, где λ ₀– длина волны в вакууме. Величина , называемая дисперсией вещества,так же увеличивается по модулю с уменьшением λ ₀ . Такой характер дисперсии называют нормальным (рис. 1 участки 1-2 и 3-4).

Возможен и обратный ход дисперсии, когда показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. Такой вид дисперсии называется аномальной (рис. 1 участок 2-3).Было установлено, что аномальная дисперсия тесно связана с поглощением света. Все вещества, для которых наблюдается аномальная дисперсия, сильно поглощают свет в этой области частот. На рис.1 штриховая линия изображает кривую поглощения.

Законы поглощения света

При распространении света в веществе энергия электромагнитных волн уменьшается. Это явление называется поглощением света в веществе или абсорбцией света. О поглощении света веществом принято судить по изменению его интенсивности в зависимости от пройденного расстояния.

Бугер (1729 г.) экспериментальным путем, а Ламберт (1760 г.) теоретически установили связь между интенсивностью света входящего в вещество I ₀ и интенсивностью света I выходящего из вещества:

I = I ₀ e ^-kd, (1)

где k – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны падающего света и вида вещества, d – толщина поглощающего слоя, знак «минус» указывает на убывание интенсивности. Закон справедлив, когда падающий поток монохроматичен. Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности светаи от толщины слоя d. Из уравнения (1) следует, что коэффициент поглощения численно равен величине, обратной толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность уменьшается в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой вещества, определяющей окраску тел в проходящем свете. Тела, имеющие малый коэффициент поглощения в видимой области спектра, являются прозрачными неокрашенными. Например, силикатное стекло толщиной 1 см поглощает лишь около 1% проходящих через него видимых лучей. Ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи это же стекло поглощает сильно. Цветными прозрачными телами называются тела, проявляющие селективность пропускания света в видимой области спектра. Так, красным является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи, и сильно поглощающие синие, фиолетовые и зеленые.

Селективным отражением света от поверхности объясняется окраска непрозрачных тел. Синие стены хорошо отражают синий свет. Однако, окраска тела зависит не только от оптических свойств поверхности тела (красителя), но и от спектрального состава падающего света. Например, тело, покрытое красной краской, будет казаться черным при освещении его зеленым светом.

В 1862 году Беер применил закон поглощения света для определения малых количеств вещества, растворенного в прозрачном растворителе. Он показал, что для малых концентраций растворенного вещества коэффициент поглощения линейно зависит от числа молекул растворенного вещества на единицу пути света в растворе: k = k’с. Объединенное уравнение Бугера-Ламберта-Беера имеет следующий вид:

I = I ₀ e^-k’cd , (2)

где k’ – постоянная Беера, не зависящая от концентрации растворенного вещества и толщины слоя d, с – концентрация вещества. Формулу (2) можно представить и в таком виде:

I = I ₀ e^-k’cd = I ₀ (10 ^lge)^-k’cd = I ₀ 10 ^-εcd, (3)

где ε = k’lge – молярный коэффициент погашения.

Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока I₀ называется прозрачностью или пропусканием Т:

10 ^–εcd.

Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название экстинкции Е или оптической плотности D:

E = D = = εcd.

Зависимости пропускания Т и оптической плотности D от длины волны падающего света называются спектральными характеристиками образца.

Если в растворе содержится несколько веществ, то результирующая оптическая плотность D равна сумме оптических плотностей компонент:

D = lg (I₀ / I) = D ₁ +D ₂ +… = [ ε ₁ с ₁ + ε ₂ с ₂ +… ] d.

Именно поглощенное излучение представляет основной интерес для исследования, так как по закону Бугера-Ламберта-Беера оптическая плотность зависит от толщины слоя и концентрации составных частей поглощающей системы. Если свет проходит через различные поглощающие системы последовательно, то результирующая оптическая плотность D не зависит от порядка их расположения.

Условием применимости закона Беера является пропорциональность числа действующих центров поглощения концентрации растворенного вещества. В реальных растворах, наряду с молекулами поглощающего вещества, на процесс поглощения влияют своими химическими и электростатическими свойствами другие молекулы. Все эти отдельные частички соединены в один общий оптический комплекс, поэтому для концентрированных растворов с их красящими составными частями низкой степени дисперсности, закон Беера теряет свою силу.

Явление поглощения света веществом объясняется тем, что при прохождении электромагнитной волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний оптических электронов атомов этого вещества. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, излучаемых атомами в возбужденном состоянии, частично же она переходит в другие виды энергии (например, во внутреннюю энергию вещества).

Так, в диэлектриках нет свободных электронов, способных направленно двигаться под действием электрического поля электромагнитной волны, и поглощение света связано с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах. Поэтому они поглощают свет избирательно в зависимости от частоты падающего света. Поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах. Для света всех остальных частот диэлектрик практически прозрачен, то есть его коэффициент поглощения близок к нулю.

Наиболее ярко явление резонансного поглощения обнаруживается у разреженных одноатомных газов, обладающих линейчатым спектром поглощения. Дискретные частоты интенсивного (рис. 2). За пределами этих полос k примерно равен нулю, то есть диэлектрики прозрачны. Расширение полос поглощения при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое объясняется взаимодействием атомов друг с другом.

Иная картина наблюдается в металлах. В конденсированном состоянии металлы содержат огромное количество свободных электронов. В электрическом поле световой волны свободные электроны совершают упорядоченное движение и излучают вторичные волны. Благодаря наложению первичной и вторичной волн образуется интенсивная отраженная волна и сравнительно слабая преломленная. Преломленная волна быстро поглощается по мере распространения в металле. Ее энергия расходуется на джоулеву теплоту, которая выделяется токами проводимости, возникающими при действии света на свободные электроны.