Тема 24. Распространение света в веществе

Поглощение (абсорбция) света. Из опыта установлено, что по мере распространения плоской световой волны в веществе ее интенсивность уменьшается.

Поглощением света называется явление потери энергии волной, проходящей через вещество, вследствие преобразования энергии электромагнитной волны в другие формы – внутреннюю энергию вещества, энергию вторичного излучения других направлений и другого спектрального состава. В результате абсорбции интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света может вызывать нагревание вещества, возбуждение, ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.

В XVIIIв. был экспериментально установлен закон поглощения света веществом, называемыйзаконом Бугера. Согласно этому закону интенсивность плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:

(7.18)

где I₀, I– интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающей среды толщинойх;– коэффициент поглощения, зависящий от химической природы вещества, его состояния, длины волныλи не зависящий от интенсивности света ().

У одноатомных газов и паров металлов атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, и такие вещества обладают близким к нулю коэффициентом поглощения .Лишь для очень узких спектральных областей (примерно 10^–12 – 10^–18 м) наблюдаются резкие максимумы, так называемыйлинейчатый спектр поглощения.Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах: дискретные частоты интенсивного поглощения света совпадают с частотами собственного излучения возбужденных атомов газов.

У диэлектриков коэффициент поглощения невелик (примерно 10^–3 – 10^–5 см^–1), однако у них наблюдается выборочное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когдарезко возрастает, и появляются сравнительно широкие полосы поглощения. Другими словами, диэлектрики имеютсплошной спектр поглощения. Это объясняется тем, что в диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах вещества.

У металлов коэффициент поглощения имеет большое значение (10³ – 10⁵ см^–1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. Это объясняется тем, что в металлах из-за наличия 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 нем поглощение света.

Рассеяние света. Рассеянием называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления движения световой волны и проявляющееся как несобственное свечение вещества.

Несобственное свечение вещества обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах или молекулах рассеивающей среды под действием падающего света. Как показал Л.И. Мандельштам, рассеяние света возможно только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке. Примерами таких сред являются мутные среды – аэрозоли (дым, туман), эмульсии, матовые стекла – то есть среды, содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды.

В случае оптически однородной среды ее малые одинаковые объемы, содержащие равное и большое число молекул, можно рассматривать как когерентные источники вторичных волн. В такой среде рассеяние света отсутствует, так как для всех направлений, отличных от направления первичного пучка света, вторичные волны взаимно гасятся из-за интерференции.

В случае оптически неоднородной среды расстояние между малыми по размеру инородными частицами мутной среды значительно больше длины волны света λ, то есть эти неоднородные частицы будут вести себя как независимые вторичные источники света. Излучаемые ими волны будут некогерентными между собой и при наложении не могут интерферировать, поэтому оптически неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Дисперсия света. В отношении электромагнитных волн термин «дисперсия» понимается в смысле спектрального разложения сложного излучения (на его составные части) по частотам или длинам волн. Причиной такого разложения является зависимость фазовой скорости от частоты или длины волны:

Поскольку , гдес– скорость света в вакууме,n– показатель преломления среды, то можно сделать вывод о том, что существование дисперсии света в среде обусловлено зависимостью показателя преломления среды от частоты или длины волны:

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму, изготовленную из какой-либо прозрачной среды: на экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоса, которая называется призматическим или дисперсионным спектром. Впервые это явление наблюдал еще И. Ньютон.

Зависимость показателя преломления среды nот длины волныλнелинейная (рис. 7.19). Величина

,

называется дисперсией веществаи показывает, как быстро изменяется показатель преломления среды с длиной волны. Если показатель преломления для прозрачных веществ с уменьшениемλмонотонно увеличивается, то дисперсия называетсянормальной.Если с уменьшениемλпоказатель преломления среды также уменьшается, то дисперсию называютаномальной.Аномальная дисперсия наблюдается в областях частот, соответствующих полосам интенсивного поглощения света в данной среде. В табл. 7.1 приведено значение показателя преломления некоторых веществ в зависимости от длины волны.

,		n
мкм	Флюорит	Кварц	Каменная соль
0,2 1,6 3,2	1,50 1,43 1,41	1,65 1,53 1,47	1,75 1,53 1,51