Поглощение света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поглощение света - уменьшение интенсивности оптич. излучения при прохождении через к--л. среду за счёт взаимодействия с ней, в результате к-рого световая энергия переходит в др. виды энергии или в оптич. излучение др. спектрального состава. Осн. законом П. с., связывающим интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучка I₀, является закон Бугера

Не зависящий от интенсивности света коэф.

наз. показателем поглощения, причём

как правило, различен для разных длин волн

Этот закон был экспериментально установлен П. Бугером (P. Bouguer, 1729) и впоследствии теоретически выведен И. Ламбертом (J. Н. Lambert, 1760) при очень простых предположениях, что при прохождении любого слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на определённую долю, зависящую только от

и толщины слоя l, т. е. dI/l =

Решением этого ур-ния и является Бугера - Ламберта - Бера закон. Физ. смысл его состоит в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде, характеризуемый

не зависит от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света, и от толщины поглощающего слоя l. Это справедливо при не слишком больших интенсивностях излучения (см. ниже).
Зависимость

от длины волны света

называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолир. атомов (напр., разреженные газы) имеет вид узких линий, т. е.

отличен от нуля только в нек-рых узких диапазонах длин волн (сотые - тысячные доли нм), соответствующих частотам собств. колебаний электронов внутри атомов. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в них, состоит из существенно более широких областей длин волн (т. н. полосы поглощения, десятые доли - сотни нм; см. Молекулярные спектры ).Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм) с большим значением

; качественно это объясняется тем, что в конденснр. средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них.
Качеств. картина процессов взаимодействия излучения с веществом, происходящих на атомном уровне и приводящих к П. с., может быть получена в рамках квазиклассич. подхода. В основе его лежит модель, рассматривающая атомы как совокупность гармонич. осцилляторов: электроны в атомах (молекулах) колеблются около положения равновесия. Такая модель приемлема для разреженных газов и паров металлов, где можно не учитывать влияния соседних атомов. Для жидких и твёрдых тел такая модель непригодна, т. к. поведение электронов, определяющих оптич. свойства атома, резко меняется под действием полей соседних атомов.
Спонтанное испускание атомов осцилляторной модели соответствует свободным (затухающим) колебаниям электронов. Собств. частоты этих колебаний v_nm задаются 2-м постулатом Бора:

где

- уровни энергии атома, между к-рыми совершается квантовый переход с испусканием света на частоте v_nm.
При распространении в среде света, падающего на неё извне, колебания электронов в атомах носят вынужденный характер и совершаются с частотой падающей световой волны. При таком подходе П. с. связывается с потерями энергии волны на вынужденные колебания электронов. (Энергия, поглощённая атомом, может переизлучаться или переходить в др. виды энергии.) Световое поле

падающее на среду, вызывает колебания электронов, описываемые ур-нием

Здесь т₀ и е₀ - масса и заряд электрона, х - его смещение от положения равновесия,

- коэф., характеризующий затухание. Первый член в (1) описывает силу инерции, второй -

- тормозящую силу, пропорц. скорости колебат. движения электрона и обусловливающую затухание его колебаний (аналогичную силе трения), третий член - упругую силу, пропорц. смещению электрона от положения равновесия; правая часть ур-ния (1) - вынуждающая сила. Решение этого ур-ния

при ненулевом

есть величина комплексная, что и свидетельствует о поглощении энергии волны атомом. При комплексной связи вынуждающей силы и отклонения электрона комплексными оказываются, соответственно, и интегральные величины: диэлектрич. проницаемость

(

- проводимость,

- веществ, часть диэлектрич. проницаемости) и показатель преломления

Мнимая часть величины

прямо связана с характеристикой поглощающих свойств среды - показателем поглощения

Величина

являющаяся, как и

функцией длины волны, наз. главным показателем поглощения. Введение комплексных величин

позволило применить формальное описание, разработанное для прозрачных сред, и к поглощающим средам. Именно с поглощением света связана аномальная дисперсия, к-рая имеет место внутри полосы поглощения (см. Дисперсия света).
При рассмотрении П. с. с квантовой точки зрения вводится такая характеристика энергетич. уровней, как населённость уровня N_n,m - число атомов, находящихся в данном энергетич. состоянии. В этом случае выражение для

может быть представлено в виде

где разность населённостей уровней п и тN_m - (g_m/g_n)N_n (здесь g_m и g_n - статистич. веса заселённости уровней). Зависимость

от разности частот

наз. контуром линии поглощения. В рассмотренном классич. приближении ширина линии поглощения на уровне 0,5 от максимума

Это т. н. естеств. ширина линии. В реальных средах имеется ряд причин, увеличивающих ширину линии поглощения, иногда во много раз. Гл. причиной уширения линии поглощения в газах служит эффект Доплера, возникающий вследствие беспорядочного движения атомов (см. Уширение спектральных линий).
При спец. условиях возбуждения возможна т. н. инверсная населённость, когда

т. е. когда населённость верхнего уровня больше населённости нижнего. В этом случае, как видно из (2), меняет знак и показатель поглощения

- среда характеризуется т. н. отрицательным поглощением. Свет, проходящий через такую среду, не ослабляется, а, наоборот, усиливается. Среды, в к-рых возможно создание (тем или иным способом) инверсной населённости уровней, используются для создания лазеров и усилителей света.
Поскольку поглощение фотона приводит к переводу атома с нижнего уровня на верхний, то процесс поглощения влияет на заселённость энергетич. уровней. При обычно наблюдаемых интенсивностях света количество поглощаемых фотонов намного меньше числа поглощающих атомов, поэтому

не зависит от интенсивности света. Соответственно, не зависит от неё и

Однако, если интенсивность падающего на среду света достаточно велика, то в возбуждённое состояние может перейти значит. доля поглощающих атомов. Это приведёт к тому, что и

будут зависеть от интенсивности света - возникнет т. н. нелинейное поглощение. В этом случае закон Бугера перестаёт быть справедливым. В пределе, при очень высокой интенсивности падающего света, населённости верх. и ниж. уровней выравниваются и среда перестаёт поглощать свет - просветляется, т. е. свет проходит через такую среду, вообще не испытывая поглощения (см. Самоиндуцированная прозрачности).
При очень высокой интенсивности света возможна и ещё одна особенность П. с. - многофотонное поглощение ,когда в одном акте одновременно поглощается несколько (i)фотонов меньших частот при условии

П. с. используется в разл. областях науки и техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствительные методы количеств. и качеств. хим. анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия. Вид спектра П. с. удаётся связать с хим. структурой вещества, по виду спектра поглощения можно исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников и мн. др.

Литература по поглощению света

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.