Коэффициент поглощения.

При интенсивность света в раз меньше

Т.е. коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность волны убывает в раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала.

1. У веществ, атомы (молекулы) которых слабо взаимодействуют друг с другом (газы, пары металлов): в узком интервале длин волн (шириной ) резкие максимумы, соответствующие резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов.

2. При увеличении давления газа полосы поглощения расширяются, при высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей.

Расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов (молекул) в среде.

3. Металлы практически непрозрачны для света из-за наличия свободных электронов:

При падении света:

• Свободные электроны приходят в движение,

• Возникают быстропеременные токи,

• Выделяется джоулево тепло

- энергия световой волны переходит во внутреннюю энергию металла.

Внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия ( )

Исследование спектров поглощения лежит в основе спектрального анализа, основанном на измерениях частот и интенсивностей линий (полос) поглощения.

Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Чем меньшей энергией обладает свет, тем быстрее он поглощается: длинноволновые части спектра, красный и оранжевый цвета, поглощаются полностью уже на глубине 5-8 метров. Затем исчезают желтые цвета, гораздо дальше проникают синий и зеленый.

• Рассеяние света

В неоднородной среде световые волны дифрагируют на неоднородностях среды – рассеиваются

Среды с ярко выраженной оптической неоднородностью называют мутными:

1. Дымы – взвеси в газах мельчайших твердых частиц

2. Туманы – взвеси в газах мельчайших капель жидкости

3. Взвеси (суспензии) – жидкости с плавающими в них твердыми частицами

4. Эмульсии – взвеси частиц одной жидкости в другой, не растворяющие первую

5. Некоторые твердые тела (опал, перламутр,…)

• Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны: В результате рассеяния света интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае только поглощения:

коэффициент экстинкции (от лат. exstinctio - гашение)

Интенсивность рассеянного света: закон Рэлея

Рассеянный свет является частично поляризованным.

• Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны:

Электроны, находящиеся в разных местах неоднородности, колеблются с заметным сдвигом по фазе.

В результате интенсивность рассеянного света:

Молекулярное рассеяние – рассеяние, обусловленное флуктуациями (отклонениями от среднего значения) плотности жидкости или газа.

Флуктуации вызваны хаотическим движением молекул вещества.

6. Квантовая природа излучения:

Предпосылки к появлению квантовой механики:

1. Фотоэффект

2. Стабильность атома (модель Резерфорда)

3. Эффект Комптона

4. Излучение нагретых тел. Равновесное тепловое излучение.

5. Корпускулярно-волновой дуализм

6. Теплоемкость

• Тепловое излучение

Тепловое излучение – ЭМ-е излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии.

Термодинамическое равновесие – состояние системы, при котором температуры нагретых тел станут равными, распределение энергии между телами и излучением не будет меняться со временем.

Единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое излучение

При нарушении равновесия в данной системе возникают процессы, восстанавливающие его: температура тела изменяется таким образом, чтобы количество поглощаемой телом энергии совпадало с количеством излучаемой.

Равновесное излучение характеризуется температурой тела, с которым оно находится в равновесии

Равновесное излучение однородно, изотропно и неполяризованно

Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела в единицу времени во всех направлениях (в пределах телесного угла 4π) назыввается энергетической светимостью тела R

Излучение состоит из волн различных частот: поток энергии в интервале частот есть

спектральная плотность энергетической светимости или испускательная способность тела

Энергетическая светимость (интегральная испускательная способность):

Через длину волны: , где

Пусть на поверхность тела падает поток энергии в интервале частот : часть его поглотится телом:

поглощательная способность тела

Тело, у которого и одинакова по всему диапазону частот, называют серым телом;

Тело, у которого на всех диапазонах частот и при любых температурах – абсолютно черное тело (АЧТ)

М одель АЧТ: замкнутая полость с малым отверстием, диаметр которого значительно меньше поперечных размеров полости.

Излучение через отверстие попадает на стенки, частично поглощаясь ими. При малых размерах отверстия луч должен претерпеть множество отражений, прежде чем он сможет выйти из отверстия.

При многократных повторных отражениях на стенках полости излучение, попавшее в полость, практически полностью поглотится.

• Закон Кирхгофа

Между испускательной и поглощательной способностями любого тела имеется связь: закон Кирхгофа

Можно показать, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры. универсальная функция Кирхгофа

Для АЧТ , т.е. есть испускательная способность АЧТ.

З ависимость спектральной плотности энергетической светимости (испускательной способности) АЧТ от длины волны

Площадь, охваченная кривой, есть энергетическая светимость (интегральная испускательная способность) АЧТ при соответствующей температуре.

Энергетическая светимость АЧТ возрастает с температурой.

Максимум испускательной способности с ростом сдвигается в сторону более коротких волн.

• Законы Стефана-Больцмана, Вина

Для энергетической светимости АЧТ выполняется соотношение: закон Стефана-Больцмана, где

постоянная Стефана-Больцмана, термодинамическая температура

Испускательная способность АЧТ имеет максимум на длине волны, которая прим изменении температуры тела изменяется так, чтобы выполнялось условие: закон смещения Вина, постоянная Вина

- при повышении температуры АЧТ положение максимума его испускательной способности смещается в коротковолновую область спектра.

• Формула Планка

Рассмотрим АЧТ, помещенное в полость с идеально отражающими стенками. Температура тела .

Спустя некоторое время полость равномерно заполнится равновесным тепловым излучением с объемной плотностью энергии которую можно разложить по спектру частот:

спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии теплового излучения связана с испускательной способностью АЧТ следующим образом:

Излучение в полости представляет собой суперпозицию бегущих и отраженных волн – стоячие ЭМВ с узлами на стенках полости.

Каждая волна может быть рассмотрена как система с двумя степенями свободы – электрической и магнитной.

Согласно классической теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия на каждую степень свободы приходится в среднем энергия

В этом случае испускательная способность АЧТ может быть представлена в виде: формула Рэлея-Джинса

Формула хорошо согласуется с экспериментом при больших длинах волн и резко расходится с ним при малых длинах волн, т.к.

Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы»

Для решения данной проблемы Планк предложил рассматривать процесс излучения отдельными порциями энергии – квантами, пропорциональными частоте излучения: , где квант действия (постоянная Планка) Тогда средняя энергия излучения может быть представлена как

В этом случае испускательная способность АЧТ представляет собой формула Планка

Формула согласуется с экспериментом на всех частотах и при всех температурах.