9.3.2. Поглощение света в газах

Коэффициент поглощения зависит от частоты света. Для одноатомных газов с учетом (13.5) эта зависимость определяется в виде

(8.13)

В области частот вблизи резонанса коэффициент поглощения будет иметь вид

К таким же выражениям придем и, используя формулу и формулы (3.14) и (3.15).

Рис. 8.2.

График зависимости показан на рис. 8.1, а. Коэффициент поглощения имеет максимум в области аномальной дисперсии, т.е. при и резко спадает по мере увеличения разности Кривая имеет вид лоренцева контура. В области максимального поглощения показатель преломления чисто мнимый (как видно из (8.4), при действительная часть показателя преломления ). Коэффициент преломления при этом

Так как атом обладает не одной собственной частотой а целым их набором m = 1, 2, 3, …, зависимость для одноатомных газов определится как

Эта зависимость имеет вид, показанный на рис. 8.2. Она показывает, что атом обладает линейчатым спектром поглощения. Резонансные кривые на рис. 8.2 представляют собой контуры спектральных линий поглощения.

Из рис. 8.2 видно, что газы прозрачны ( для электромагнитного излучения почти всех частот и лишь при

Рис. 13.2

частотах, близких к одной из собственных частот атома коэффициент поглощения резко возрастает, и газ становится не прозрачным. Такой характер зависимости объясняется следующим образом. При прохождении световой электромагнитной волны через вещество часть ее электромагнитной энергии поглощается атомами вещества и переходит в энергию колебаний их электронов. Большая часть этой энергии вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, некоторая же ее часть переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества. Когда частота падающей световой волны совпадает с одной из собственных частот колебаний электронов в атоме, наступает явление резонанса и амплитуда колебаний электронов резко возрастает. При этом резко возрастает энергия, отбираемая колеблющейся системой (электроном) от источника вынуждающей силы (электромагнитного поля световой волны), а значит, резко возрастает и поглощение света.

В квантовой теории частоты как уже отмечалось, являются частотами атомных переходов , определяемых уровнями энергии стационарных состояний атома: W₁, W₂, W₃, …, W_m, … , W_n, …, т.е. частотами собственного излучения возбужденных атомов этих газов. При поглощении световая волна переводит атом из состояния n в состояние m > n, увеличивая тем самым запас поглощенной энергии.

Рассмотрим теперь случай молекулярного газа, находящегося при не очень высоких давлениях или имеющего малую плотность, когда молекулы можно считать изолированными. При комнатной температуре у большинства молекул возбуждены вращательные степени свободы, а с учетом распределения Максвелла – Больцмана, возможно, и колебательные. Молекулы находятся в таком состоянии, чтобы поглощать излучение в области очень низких частот (в инфракрасном диапазоне) и переходить на более высокие вращательно-колебательные уровни. Следовательно, газ будет непрозрачен для излучения с любой энергией вплоть до энергии, равной энергии связи молекулы. Правила отбора сильно ограничивают возможные переходы при более высоких энергиях фотонов, поэтому фотоны энергия которых значительно превышает некоторую определенную величину, поглощаться не могут. Газ становится прозрачным. Это продолжается до тех пор, пока энергия фотонов не станет достаточной для перевода молекулы на другой электронный уровень. После этого излучение снова будет поглощаться за счет комбинации электронного, вращательного и колебательного возбуждений, и газ станет непрозрачным по отношению к излучению с более высокой энергией. Как видим, молекулярный газ обладает спектром поглощения, состоящим из отдельных полос (называемых полосами поглощения), в пределах которых коэффициент поглощения непрерывно (но не плавно, а с колебаниями) меняется с частотой света w. За пределами этих полос коэффициент поглощения практически равен нулю. Области, где называют окнами прозрачности. Если окно прозрачности придется на видимый диапазон световых волн, то газ окажется прозрачным для видимого света. Верхняя граница окна прозрачности определяется энергией электронного возбуждения.