§ 46 ] Поглощение и рассеяние света 215

вещества. В этом случае график зависимости n(ω) выглядит так, как показано на рис. 163 б.

Если частота ω световой волны близка к собственной частоте колебаний ω0 электронов вещества, то амплитуда вынужденных колебаний достигает наибольшего значения. В частности, в рассматриваемой модели без учета затухания (β = 0) амплитуда стремится к бесконечности (см. (45.6)). Это явление в теории колебаний называется резонансом, и соответствует сильному поглощению света веществом. В области

света в вакууме c, которая является наибольшей возможной скоростью движения материальных объектов. В этом нет противоречия.

Как отмечалось выше, реальным физическим смыслом обладает не фазовая, а групповая скорость (скорость переноса энергии световой волны), которая никогда не превышает величину c.

Действительно, в области частот ω > ω0, которым соответствует показатель преломления n < 1, то есть фазовая скорость V = c/n > c, и дисперсия при этом является нормальной, dn/dω > 0 (см. рис. 163 б), групповая скорость u должна быть меньше фазовой V (см. (44.11) и нижеследующий текст). В этом случае групповая скорость вполне может быть меньше скорости света в вакууме c, по крайней мере, это предположение не противоречит рассматриваемой теоретической модели.

Область частот ω > ω0, которым соответствуют показатель преломления n < 1, фазовая скорость V = c/n > c, но при этом дисперсия аномальная, dn/dω < 0, представляет собой область сильного поглощения света веществом (см. рис. 163 б). При аномальной дисперсии, согласно (44.11), групповая скорость u должна превышать фазовую V . Но поскольку в условиях сильного поглощения волновой пакет быстро расплывается, понятие групповой скорости теряет смысл, пользоваться им нельзя. В этом случае бессмысленными становятся и попытки сравнивать групповую скорость u со скоростью света в вакууме c.

§ 46. Поглощение и рассеяние света

При прохождении световой волны через вещество энергия волны затрачивается на поддержание вынужденных колебаний электронов.

Энергия колебаний частично переходит в энергию движения атомов в целом, то есть во внутреннюю энергию вещества, а частично вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых движущимися ускоренно электронами.

Поглощение света представляет собой процесс перехода энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества.

Интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону, который называется законом Бугера (1698–1758):

Здесь I0 — интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества; l — толщина этого слоя; κ — постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения. Закон Бугера (45.13) был установлен опытным путем.

Рассеянием света называется равномерное перераспределение интенсивности световой волны по всем направлениям в пространстве в результате ее взаимодействия с веществом. Механизм рассеяния состоит в следующем.

Под действием проходящего через вещество света электроны в атомах совершают вынужденные колебания. Колеблющиеся заряженные частицы порождают распространяющиеся по всем направлениям вторичные волны той же частоты, что и исходная световая волна. Вторичные волны когерентны, поэтому необходимо учитывать их интерференцию.

Если среда, в которой распространяется свет, является оптически однородной, вторичные волны полностью гасят друг друга по всем направлениям, кроме направления распространения первичной волны. При этом перераспределения света по различным направлениям — рассеяния света — не происходит. Если среда неоднородна, например, содержит микроскопические частицы пыли, дыма, мельчайшие капли жидкости и т. д., то излучаемые колеблющимися электронами вторичные волны создают дифракционную картину от неоднородностей среды с довольно равномерным распределением интенсивности света по всем направлениям. Таким образом, механизм рассеяния света — это дифракция вторичных волн на мельчайших неоднородностях среды.

Рис. 164