7. Поглощение света

Как уже отмечалось, электромагнитные волны (в том числе и свет), проходя через вещество, вызывают вынужденные колебания электронного облака атомов или молекул. Тем самым вещество поглощает часть энергии волны, и интенсивность последней по мере проникновения в глубь вещества уменьшается. Поглощение света – это затухание колебаний световой волны, обусловленное ее взаимодействием с веществом.

Очевидно, что степень поглощения света зависит от толщины d слоя вещества. Если обозначить I₀ интенсивность световой волны до попадания в вещество, а I – ее интенсивность после прохождения слоя вещества толщиной d, то справедлива следующая закономерность:

I = I₀ exp(–d), (13)

где  – коэффициент поглощения, называемая законом Бугера.

Коэффициент поглощения  зависит от частоты волны; иными словами, наряду с дисперсией коэффициента преломления имеется дисперсия коэффициента поглощения. На рис. 14 пунктирной кривой показана зависимость коэффициента поглощения  от частоты со. Как видно, максимально вещество поглощает свет вблизи собственной частоты. Данное явление есть следствие общего свойства вынужденных колебаний: система поглощает наибольшую мощность при резонансе.

У атомов и молекул имеется не одна собственная частота, а набор собственных частот вблизи каждой из который коэффициент поглощения резко возрастает. В твердых телах или растворах из-за сильного взаимодействия между атомами или молекулами области поглощения уширяются и превращаются в полосы поглощения, между ними лежит область частот, которые поглощаются слабо. На этом основано действие светофильтров, которые представляют собой пластины из стекла с присадками тех или иных солей, пленки из пластмасс, содержащие некоторые органические красители или растворы красителей в воде, спирте и других растворителях. В зависимости от химического состава светофильтр пропускает только определенную область частот, поглощая остальные.

Избирательным поглощением света объясняется цвет тела. Если тело почти полностью отражает в одинаковой мере все падающие на него лучи, то при освещении его белым светом оно видно как белое. Освещенное светом одного цвета (монохроматическим светом), такое тело отражает его и кажется окрашенным в тот же цвет. Точно так же ведет себя серое тело, оно лишь поглощает часть света на всех участках спектра одинаково. Черным называют тело, которое практически полностью поглощает все световые волны видимого участка спектра.

Если тело избирательно поглощает некоторые участки спектра, то в отраженном свете оно кажется цветным. Пусть, например, тело сильно поглощает сине-зеленый участок спектра, тогда, если осветить его белым светом, оно отразит красно-оранжевый участок спектра, и мы увидим тело красным. Нетрудно сообразить, что если это тело осветить синим светом (или зеленым), то оно будет выглядеть как черное. Опыт подтверждает этот результат.

Лекция 5

1. Поляризованный свет

На первой лекции говорилось, что в естественном свете колебания вектора Е происходит хаотично в произвольных направлениях. Если каким либо способом упорядочить эти колебания, то получится свет поляризованный. В зависимости от того как упорядочены эти колебания, можно выделить свет поляризованный линейно (плоско), поляризованный по кругу и по эллипсу. В первом случае, который мы будем рассматривать более подробно, колебания вектора Е происходят в одной плоскости. Во втором и третьем случаях конец вектора Е движется по кругу и эллипсу соответственно.

Для плоско поляризованного света плоскость, в которой происходят колебания вектора Е, называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная ей плоскость – плоскостью поляризации.

Устройства, с помощью которых можно получить плоско поляризованный свет, называются поляризаторами. Эти устройства пропускают свет с колебаниями в одной плоскости, которую называют плоскостью поляризатора.

Рассмотрим плоско поляризованный свет, прошедший через поляризатор П1 и падающий на поляризатор П2, плоскость пропускания которого расположена под углом  к плоскости колебаний, рис. 1, а.

П1 П2 Е_ Е

О  

Е_

а б

Рис. 1.

Если амплитуду колебаний Е разложить на две составляющие: параллельную (Е_) и перпендикулярную (Е_) плоскости поляризатора, то вероятно через поляризатор пройдет компонента Е_., рис. 1, б. Поскольку Е_.= Еcos, для интенсивности прошедшего света будем иметь (I  Е²):

I = I₀ cos². (2)

Соотношение (2) носит название закона Малюса.

Поляризатор может быть не идеальным, тогда свет, прошедший через него будет поляризован частично. Для частично поляризованного света можно ввести понятие степени поляризации Р:

Р = (I_макс – I_мин)/(I_макс + I_мин), (1)

где I_макс – максимальное значение интенсивности света пропущенного через идеальный поляризатор, а I_мин – соответственно его минимальное значение при перпендикулярном положении плоскости поляризатора. Для поляризованного света I_мин = 0 и Р = 1.

Если на поляризатор падает естественный свет, плоскости колебания в котором имеют хаотическое распределение, то интенсивность поляризованного света, прошедшего через поляризатор будет равна ½ I_ест, поскольку среднее значение cos² за период равно ½. Если на пути этого света поставить второй поляризатор, то в соответствии с (2) интенсивность света будет меняться от ½ I_ест до 0. В последнем случае говорят, что поляризаторы скрещены, то есть плоскости их пропускания перпендикулярны.