4.3. Поглощение света
Световая волна несет поток энергии электромагнитного поля. При прохождении света через вещество происходит потеря энергии из-за превращения ее в различные формы внутренней энергии вещества или энергию вторичного излучения, которое может отличаться от первичного спектральным составом и направлением распространения. Поглощение света может приводить к нагреванию вещества или возбуждению атомов и молекул, к фотохимическим процессам и т. д. Свободные электроны в металлах поглощают всю энергию световой волны, так что металлы практически непрозрачны для света. Тонкие слои металла могут быть, однако, прозрачными для электромагнитного излучения других частотных диапазонов.
Если световая волна с интенсивностью в данной точке I(х) проходит через слой толщиной dх, то ее интенсивность уменьшается на величину, пропорциональную толщине слоя:
|
|
(4.32) |
где коэффициент поглощения, зависящий от свойств поглощающего вещества.
Преобразуем
полученное дифференциальное уравнение:
и
проинтегрируем
В
результате интегрирования получаем
|
|
(4.33) |
где I0 падающий световой поток, I толщина поглощающего слоя вещества. Это соотношение называется законом Бугера Ламберта Бера. Он справедлив для монохроматического света.
Соотношение (4.33) можно записать в виде
|
|
(4.34) |
где
Отсюда вытекает физический смысл ; коэффициент поглощения обратно пропорционален толщине слоя вещества, при прохождении которого интенсивность света уменьшается в е=2.72 раза.
4.4. Рассеяние света
Мы наблюдаем красное Солнце на закате и голубое небо в ясный день. Эти явления можно объяснить рассеянием света на молекулах газов, входящих в состав атмосферы. Переменное электрическое поле световой волны возбуждает в облучаемой молекуле вынужденные колебания электрических зарядов, вследствие чего молекула приобретает изменяющийся во времени электрический дипольный момент и становится источником собственного излучения, частота которого равна частоте облучающего диполь света. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям, а частота рассеянного света равна частоте света в первичном пучке.
В теории излучения на основе уравнений Максвелла показывается, что мощность вторичного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. Если электроны под действием световой волны колеблются по закону
то их ускорение
пропорционально квадрату частоты . Соответственно, мощность вторичного излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому и интенсивность рассеянного света пропорциональна частоте в четвертой степени или обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны закон Рэлея:
|
|
(4.35) |
Следовательно, красный и оранжевый свет рассеиваются гораздо слабее, чем голубой и фиолетовый, и поэтому небо в ясный день выглядит голубым. На закате солнечные лучи проходят максимальный слой атмосферы. Значительная часть голубого излучения рассеивается и не попадает в глаз наблюдателя. Поэтому прошедший луч, достигающий поверхности Земли, лишается голубой и фиолетовой составляющих и поэтому кажется красноватым.
Следует отметить, что закон Рэлея имеет место только в случае, когда рассеивающие объекты оказываются меньше длины световой волны. Это условие выполняется для молекул кислорода и азота, имеющих размеры около 0.2 нм. Но облака содержат капельки воды и кристаллы льда, размеры которых значительно превышают длину волны. Такие частицы рассеивают свет почти равномерно на всех частотах, поэтому облака кажутся белыми. Помимо рэлеевского рассеяния существуют другие процессы рассеяния, в частности, с изменением частоты рассеянного света, такие, как комбинационное рассеяние света, которое будет рассмотрено позднее.