3.7 Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта

Поглощение света (излучения) в веществе связано с превращением энергии электромагнитных волн (или иного излучения) в другие виды энергии, в частности, - во внутреннюю энергию среды. Пусть в плоскости х=0 интенсивность плоской электромагнитной волны J₀. В результате поглощения в слое вещества толщиной dх (см. рис.3.8) произойдет приращение интенсивности излучения на величину: ,

откуда:

- закон Бугера - Ламберта,

 - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения  не зависит от интенсивности света, а зависит от длины волны λ (или частоты ω) и для различных веществ различен.

Например, для металлов α ≈ 10³ 10⁵ см^-1 – это большие значения, поэтому металлы непрозрачны для света. В металлах из-за наличия у них свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нём поглощение света.

У веществ, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга (одноатомные газы, пары металлов) α близок к нулю и лишь для узких спектральных областей (≈10^-12 – 10^-11м) наблюдаются резкие максимумы поглощения. Это линейчатый спектр поглощения. Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (≈10^-10 – 10^-7м).

Для диэлектриков характерен небольшой коэффициент поглощения (α ≈10^-3 – 10^-5м). В диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. В определённых интервалах длин волн α резко возрастает. Наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т.е диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения.

3.8 Фотоэлектрический эффект и природа электромагнитного излучения

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц замечает, что ультрафиолетовое излучение в области искрового промежутка облегает разряд. В 1888 - 1890 гг. профессор Московского университета А.Г. Столетов устанавливает основные закономерности явления, названного фотоэлектрическим эффектом:

а/ под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

б/ явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами;

в/ образующийся между катодом и анодом фототек пропорционален падающему на катод лучистому потоку;

г/ между моментом освещения катода и возникновением фототока не протекает заметного времени. Фотоэффект практически безинерционен.

Объяснение механизма фотоэффекта было впервые дано Эйнштейном в 1905 г. Эйнштейн предложил рассматривать излучение как поток материальных частиц, "квантов излучения" или "фотонов". Энергия фотона, как и в теории Планка, равна ε = hν. Монохроматическое излучение частоты ν состоит из целого числа фотонов. Если энергия фотона достаточна, чтобы электрон мог совершить работу выхода А_вых, будет наблюдаться фотоэффект. Энергия выбитых фотоэлектронов различна. Наибольшей скоростью v_m и кинетической энергией mv²_m/2 будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в металле. По закону сохранения энергии для этих электронов:

- уравнение Эйнштейна

Это уравнение выведено на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой свет с частотой ν не только испускается, но и распространяется в пространстве, и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε = hν. (Квантовая теория фотоэффекта позволяет понять необъяснимый, с точки зрения волновой теории, результат: значение mv²_m/2, зависит только от частоты излучения и не зависит от его интенсивности.) Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е минимальная частота света, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызовет (энергия фотона ε = hν окажется меньше работы выхода А_вых).

Явление выбивания излучением с поверхности металла электронов называют внешним фотоэффектом. В прозрачном диэлектрике или полупроводнике фотон поглощается электроном внутри кристалла. При этом электрон либо покидает атом, попадая в междоузлие кристаллической решетки (т.е. в зону проводимости), либо переходит на более высокие энергетические уровни, т.е. происходит возбуждение атомов. Это явление называется внутренним фотоэффектом. В случае полупроводников внутренний фотоэффект приводит к снижению электрического сопротивления (такого типа полупроводники называют фотосопротивлениями).

Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или контакта полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Волновые свойства излучения проверены на огромном экспериментальном материале (интерференция, дифракция, законы отражения и преломления). Корпускулярные свойства излучения также подтверждены многими опытами ("ультрафиолетовая катастрофа", фотоэффект, эффект Комптона). Обе картины - корпускулярная и волновая - равноправны и дополняют друг друга, в этом заключается двойственность корпускулярно - волновой природы излучения.