22. Поглощение и рассеяние света.

Из опытов известно, что по мере распространения плоской световой волны в веществе ее интенсивность постепенно уменьшается. Явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе (вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества, в энергию вторичного излучения – фотолюминесценцию) называется поглощением света. Поглощение света может вызывать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и др. процессы в веществе.

Закон Бугера(1729)–Ламберта(1760): интенсивность плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону: I = I₀ exp(–a’x), где I₀ , I – интенсивность света на входе и выходе из слоя среды толщиной х; а' – натуральный показатель поглощения среды, который зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света.

Следствие закона: уравнение плоской линейно поляризованной монохроматической волны, распространяющейся в поглощающей среде вдоль + направления оси Ох имеет вид: E=E₀ exp(–a’x/2) cos (ωt–kx), где Е – напряженность э/п волны в точках с координатой х, E₀ – амплитуда Е в точках плоскости х=0.

Зависимость а' диэлектрика от длины волны света, характеризующая спектр поглощения света в этой среде, связана с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. Поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов и атомов. Наиболее четко явление резонансного поглощения обнаруживается у разреженных одноатомных газов – у них линейчатый спектр поглощения. Дискретные частоты поглощения совпадают с частотами собственного излучения возбужденных атомов.

У многоатомных газов наблюдается полосатый спектр поглощения, структура полос определяется составом и строением молекул. Жидкие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения. У них а' достигает значительной величины и плавно изменяется в зависимости от длины волны. Такой ход зависимости у конденсированных сред объясняется сильным взаимодействием между частицами среды, приводящим к появлению множества дополнительных резонансных частот.

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества.

Это свечение вызвано вынужденными колебаниями электронов в атомах, молекулах или ионах рассеивающей среды под действием падающего света. Как показал Мандельштам (1907), рассеяние света может возникать только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке (мутные среды – аэрозоли, эмульсии и др.).

Если расстояние между малыми по размеру неоднородностями среды значительно больше длины волны света, то эти неоднородности ведут себя как независимые вторичные источники света. Излучаемые ими волны не когерентны между собой (в отличие от оптически однородной среды) и при наложении не могут интерферировать, поэтому оптически неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах на частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны света, называется явлением Тиндаля.

Для рассеянного света справедлив закон Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны I~λ^(–4).

В случае рассеивания естественного света зависимость интенсивности рассеянного света от угла следующая: I(θ) = (1+cos² θ)*I(π/2), где I(π/2) – интенсивность света, рассеиваемого перпендикулярно направлению первичного пучка.

По мере увеличения размеров r₀ неоднородностей в мутной среде указанные выше закономерности искажаются. При r₀>λ зависимость I(θ) имеет более сложную форму, причем интенсивность рассеяния вперед (угол <90°) больше, чем назад (эффект Ми). Нарушается и закон Рэлея. При r₀>>λ спектральный состав рассеиваемого света практически совпадает со спектром падающего (н-р, белый цвет облаков).

Рассеяние света наблюдается также в чистых (без примесей) средах. Оно называется молекулярным рассеянием света и обусловлено флуктуациями плотности, возникающими в процессе хаотического теплового движения молекул среды.