50. Поглощение света, квантовомеханические причины

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через среду, заполненную в-вом. Осн. законом, описывающим поглощение, явл. з а к о н Б у г е р а J=J0 ехр(-кll), связывающий интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l, с интенсивностью падающего пучка J0. Не зависящий от интенсивности света J0 коэфф. кl наз. показателем поглощения, причём кl, как правило, различен для разных длин волн l. Этот закон был экспериментально установлен в 1729 франц. физиком П. Бугером и впоследствии теоретически выведен нем. учёным И. Ламбертом (1760) при очень простых предположениях, к-рые сводятся к тому, что при прохождении любого слоя в-ва интенсивность светового потока уменьшается на определённую долю, зависящую только от кl и толщины слоя, т. е. dJ/J=-кldl Решением этого ур-ния и явл. закон Бугера. С совр. точки зрения физич. смысл его состоит в том, что сам п р о ц е с с п о т е р и фотонов, характеризуемый кl, 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 кl от длины волны света l наз. спектром поглощения в-ва. Спектр поглощения и з о л и р о в а н н ы х а т о м о в (напр., разреженные газы) имеет вид узких линий, т. е. кl отличен от нуля только в определённых узких диапазонах длин волн (десятые — сотые доли А), соответствующих частотам собств. колебаний эл-нов внутри атомов. М о л е к у л я р н ы й спектр поглощения, определяемый колебаниями атомов в молекулах, состоит из существенно более широких областей длин волн, в к-рых поглощение значительно (т. <н. полосы поглощения, единицы — тысячи А). Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч А) с большим значением кl; качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильное вз-ствие между ч-цами приводит к быстрой передаче всему коллективу ч-ц энергии, отданной светом одной из них.

В случае, когда свет поглощается молекулами в-ва, растворённого в практически не поглощающем растворителе, или молекулами газа, кl оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны, или, что то же, на единицу объёма, заполненного проходящим светом, т. е. пропорционален концентрации С: кl=clС (правило Бера). Тогда закон поглощения принимает вид J=J0e-clCl (Бугера-Ламберта — Бера закон), где cl — новый коэфф., не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего в-ва. В реальных газах и растворах закон Бугера — Ламберта — Бера выполняется далеко не всегда.

В проводящих средах (металлах, плазме) вз-ствие со светом в значит. степени определяется свободными эл-нами, в связи с чем кl зависит от электропроводности s. Значит. П. с. в проводящих средах сильно влияет на все процессы распространения света в них; формально это учитывается тем, что член, содержащий кl, входит в выражение для комплексного преломления показателя среды.

В терминах квант. теории процесс П. с. связан с переходом эл-нов в поглощающих атомах, ионах, молекулах или тв. теле с более низких уровней энергии на более высокие. Обратный переход в осн. или нижнее возбуждённое состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно, или комбинированным путём, причём способ перехода обратно определяет, в какой вид энергии переходит энергия поглощённого света.

В световых пучках очень большой интенсивности П. с. перестаёт подчиняться закону Бугера, т. е. кl становится функцией интенсивности света J0 (н е л и н е й н о е П. с.). Этот эффект может быть обусловлен тем, что очень большая доля поглощающих ч-ц, перейдя в возбуждённое состояние и оставаясь в нём сравнительно долго, теряет способность поглощать свет, что заметно изменяет характер П. с. средой.

Если в поглощающей среде искусственно создана инверсия населённости, т. е. число возбуждённых состояний на верхнем уровне превосходит таковое на нижнем, то каждый фотон из падающего потока имеет большую вероятность индуцировать испускание точно такого же фотона, чем быть поглощённым самому (см. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). В этом случае интенсивность выходящего света J превосходит интенсивность падающего J0, т. е. имеет место усиление света.

Формально это явление в законе Бугера соответствует отрицательности kl, поэтому явление наз. о т р и ц а т е л ь н ы м П. с. На нём основано действие квантовых генераторов (лазеров) и квантовых усилителей.

П. с. используется в разл. областях науки и техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствит. методы количеств. и качеств. хим. анализа, в частности а б с о р б ц и о н н ы й спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия и пр. Вид спектра П. с. удаётся связать с хим. структурой в-ва, по виду спектра поглощения можно исследовать характер движения эл-нов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников и мн. др.

51. рассеяние света

РАССЕЯНИЕ СВЕТА

РАССЕЯНИЕ СВЕТА, отклонение распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Свет рассеивается на неоднородностях среды, на частицах и молекулах, при этом меняется пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Рассеяние света зависит от частоты света, размера рассеивающих частиц. Рассеянием солнечного света на молекулах воздуха объясняется голубой цвет неба, а рассеянием на частицах пыли и водяных парах - яркие зори при восходе и заходе Солнца.

52. Фотоэлектрический эффект давление света

Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов — явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается — и срабатывает электронная сигнализация.

Это явление, получившее название фотоэлектрического эффекта, или, кратко, фотоэффекта, было открыто в конце XIX столетия и сразу поставило целый ряд фундаментальных вопросов, поскольку ничего из того, что было известно ученым о строении металлов или природе света, фотоэффекта не объясняло. Нельзя сказать, что классическая теория запрещала бы свету выбивать электроны из металла. Электромагнитные волны, по идее, могли «вымывать» электроны из металла подобно тому, как морские волны выносят на поверхность и постепенно прибивают к берегу легкие пробковые крошки. Однако проблема состояла в том, что столь простым объяснением в случае фотоэффекта ограничиться было невозможно. Во-первых, электроны появлялись практически мгновенно после начала облучения. Во-вторых, фотоэффект, как оказалось, возникал даже под воздействием самых слабых световых лучей, причем по мере повышения интенсивности облучения энергия высвобождаемых электронов не изменялась. И то, и другое вступало в явное противоречие с классической картиной взаимодействия света с электронами.

Проблему в конце концов удалось решить в начале ХХ века Альберту Эйнштейну, причем сделанные им выводы дали мощный толчок развитию квантовой механики. Незадолго до этого Макс Планк показал, что излучение черного тела можно адекватно описать, приняв за допущение, что атомы излучают и поглощают свет фиксированными энергетическими порциями — квантами. Он полагал, что этот феномен каким-то образом обусловлен внутренним строением атомов, но отнюдь не природой света. Однако Эйнштейн воспринял идею Планка гораздо серьезнее и постулировал, что сам свет распространяется дискретными пучками энергии, которые он назвал фотонами. Иногда фотоны ведут себя подобно частицам, иногда — подобно волнам (см. Принцип дополнительности). В частности, при взаимодействии с электроном фотон может вести себя как частица, и буквально выбивать электрон из атома (это соударение фотона с атомом можно уподобить столкновению двух бильярдных шаров). Причем для выбивания электрона при таком соударении достаточно единственного фотона. Далее, повышение интенсивности света приводит к увеличению числа фотонов (и, следовательно, числа выбитых электронов), но не энергии отдельно взятого фотона. Следовательно, и энергия, и скорость отдельно взятого выбитого фотоэлектрона не зависят от интенсивности света — но только от его частоты.

Рассуждая таким образом, Эйнштейн вывел следующее простое уравнение для описание энергии фотоэлектронов:

E = hν — φ

где ν — частота падающего света, h — постоянная Планка, а φ — так называемая «работа выхода», то есть минимальная энергия, необходимая для того, чтобы выбить электрон из атома металла.

Давление света - это давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела.

Давление р, оказываемое волной на поверхность металла можно было рассчитать, как отношение равнодействующей сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое металла, к площади поверхности металла:

Квантовая теория света объясняет давление света как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Давление света на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела. Давление света показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.