Феноменология поглощения света

При распространении плоской световой волны в веществе ее интенсивность уменьшается по мере проникновения в вещество. Это явление называется поглощением света в веществе. Оно вызвано преобразованием энергии электромагнитной волны в тепло. Бугер и Ламберт установили, что интенсивность I плоской монохроматической волны после прохождения сквозь слой поглощающего вещества толщиной x связана с интенсивностью I ₀ этой волны при входе в слой соотношением:

. (3.5.18)

Интенсивность света при прохождении через однородное вещество уменьшается по экспоненциальному закону. Это закон Бугера – Ламберта. Здесь a - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы вещества и состава вещества, и не зависит от интенсивности света. Коэффициент поглощения - численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз.

В случае точечного источника света, находящегося в однородной поглощающей среде световая мощность убывает по экспоненциальному закону.

Коэффициент поглощения монохроматического света пропорционален концентрации раствора при прохождении света через раствор поглощающего вещества в непоглощающем растворе. Это закон Бера:

a = a ₁ c.

Для всех веществ поглощение имеет селективный характер, т.е. коэффициент поглощения зависит от длины волны в вакууме.

В диэлектриках поглощение света связанно с резонансом при вынужденных колебаниях электронов в атомах и в молекулах диэлектрика. Диэлектрики поглощают свет избирательно в зависимости от частоты световой волны. При частотах, близких к частотам собственных колебаний поглощение значительно, для всех остальных частот диэлектрик прозрачен, a =0. В спектре веществ образуется система тесно расположенных линий – полос пропускания (рис.3.5.10), по которым можно судить о составе и строении молекул. На этом основан спектральный анализ.

В случае газов и паров металлов при невысоком давлении для всех длин волн коэффициент поглощения практически равен нулю, и лишь для очень узких спектральных интервалов δλ (порядка нескольких тысячных нм) обнаруживаются резкие максимумы (рис.3.5.11). Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов, которые практически не взаимодействуют друг с другом.

При повышении давления максимумы поглощения все больше расширяются, и при высоких давлениях спектр приближается к спектрам поглощения жидкостей (рис.3.5.10). Это связано с ростом взаимодействия между атомами.

Можно создать такое состояние атомов вещества, при котором коэффициент поглощения становится отрицательным, и прохождение света через такое вещество сопровождается усилением интенсивности. Именно это и осуществляется в лазерах.

 

Рассеяние света

С классической точки зрения электронной теории света процесс рассеяния света заклю­чается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает коле­бания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рас­сеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию.

Соответствующий расчет дает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлени­ях, кроме направления распространения первичной волны. Поэто­му перераспределения света по направлениям, т. е. рассеяния све­та, не происходит.

Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направле­ниях только при распространении света в неоднородной среде. Све­товые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифрак­ционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую диф­ракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.

Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу относятся: дымы, т. е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц; туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости; взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками; эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может слу­жить молоко, представляющее собой взвесь капелек жира в воде); твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. п.

Свет, рассеянный на частицах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, оказывается частично поляризован­ным. Это объясняется тем, что колебания электронов, вызванные рассеиваемым световым пучком, происходят в плоскости, перпенди­кулярной к пучку (рис.3.5.12). Колебания вектора во вторичной волне происходят в плоскости, проходящей через направление ко­лебаний зарядов. Поэтому свет, рассеиваемый час­тицами в направлениях, перпендикулярных к пучку, будет полностью поляризован. В направлениях, образующих с пучком угол, отлич­ный от прямого, рассеянный свет поляризован только частично.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интен­сивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении (3.5.18), наряду с коэффициентом поглощения , дол­жен стоять добавочный коэффициент , обусловленный рассеянием:

(3.5.19)

 

Постоянная называется коэф­фициентом экстинкции.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной све­товой волны (не более ~0,1l), ин­тенсивность рассеянного света I оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины волны:

 

I ~ ω⁴ ~ 1 / λ⁴ (3.5.20)Эта зависимость носит название закона Рэлея. Ее проис­хождение легко понять, если учесть, что мощность излучения ко­леблющегося заряда пропорциональна четвертой степени частоты и, следовательно, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.

Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, элек­троны, находящиеся в различных местах неоднородности, колеблютcя с заметным сдвигом по фазе. Это обстоятельство ус­ложняет явление и приводит к другим закономерностям — интенсивность рассеянного света становится пропорцио­нальной всего лишь квадрату частоты (обратно пропор­циональной квадрату длины волны).

Проявление закономерности (3.5.19) легко наблюдать, пропуская пучок белого света через сосуд с мутной жидкостью (рис. 3.5.9). Вследствие рассеяния след пучка в жидкости хорошо виден сбоку, причем, поскольку короткие световые волны рассеиваются гораздо сильнее длинных, этот след

представляется голубоватым. Прошед­ший через жидкость пучок оказывается обогащенным длинновол­новым излучением и образует на экране Э не белое, а красновато-желтое пятно. Поставив на входе пучка в сосуд поляризатор Р, мы обнаружим, что интенсивность рассеянного света в различных направлениях, перпендикулярных к первичному пучку, не одина­кова. Направленность излучения диполя приводит к тому, что в направлениях, совпадающих с плоскостью колебаний первичного пучка, интенсивность рассеянного света практически равна нулю, в направлениях же, перпендикулярных к плоскости колебаний, интенсивность рассеянного света максимальна. Пово­рачивая поляризатор вокруг направления первичного пучка, мы будем наблюдать попеременное усиление и ослабление света, рас­сеивающегося в данном направлении.

В случае рассеяния естественного света интенсивность света, рассеянного под углом к направлению первичного пучка, зависит от следующим образом:

где I_{p/ 2} – интенсивность света, рассеиваемого перпендикулярно к направлению первичного пучка. Если молекулы рассеивающих частичек электрически изотропны (т.е. неполярные молекулы), то рассеиваемый свет оказывается частично – поляризован, и под углом - полностью поляризован. В этом случае его плоскость поляризации перпендикулярна направлению первичного светового пучка.

Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, то электроны в различных местах неоднородности колеблются уже не синфазно. Это усложняет рассеяние и приводит к другим закономерностям. Закон Рэлея нарушается, интенсивность рассеянного света становится пропорциональной квадрату частоты (обратно пропорциональна квадрату длины волны), и свет, рассеянный под углом , оказывается поляризованным лишь частично.

Если размеры неоднородностей много больше длины световой волны, спектральный состав рассеиваемого света практически совпадает со спектральным составом падающего света. Этим, например, объясняется белый состав облаков.

Рассеяние света наблюдается и в чистых средах – молекулярное рассеяние света. Причиной оптических неоднородностей в этом случае являются флуктуации плотности (отклонения в пределах малых объемов плотности от ее среднего значения, возникающие в процессе хаотического теплового движения молекул среды). Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере флуктуации плотности в малых объемах приводят, согласно закону Рэлея, к тому, что синие и голубые составляющие солнечного света рассеиваются сильнее, чем желтые и красные. При восходе и заходе Солнца прямой солнечный свет проходит через большую толщу атмосферы, и при этом большая доля коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Из прямого света до поверхности Земли доходит преимущественно красная составляющая спектра. Поэтому при заходе и восходе Солнце кажется красным.

Эффект, связанный с молекулярным рассеянием света, зависит от температуры- с ее ростом он увеличивается.

Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загряз­нений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет. Л. И. Мандельштам и М. Смолуховский установили, что причиной появления оптических неоднородностей являются в этом случае флуктуации плотности (т. е. наблюдаемые в пределах малых объе­мов отклонения плотности от ее среднего значения). Эти флуктуа­ции вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным.

Особенно благоприятные условия для возникновения значи­тельных флуктуации плотности имеются вблизи критического со­стояния вещества. Эти флуктуации приводят к столь интенсивному рассеянию света, что «на просвет» стеклянная ампула с веществом кажется совершенно черной. Это явление называется критической опалесценцией.

 

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: