2. Поглощение и рассеяние света

2.1. Поглощение света

При поглощении света веществом происходит уменьшение интенсивности оптического излучения.

Основным законом, описывающим поглощение света, является закон Бугера-Ламберта

, (.3)

который связывает интенсивность J пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной d, с интенсивностью падающего пучка J₀.

Коэффициент а_ называют показателем поглощения, который различен для разных длин волн.

Закон Бугера-Ламберта является решением уравнения

. (4)

С современной точки зрения физический смысл его состоит в том, что процесс потери фотонов, характеризующий а_, не зависит от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света и от толщины поглощающего слоя d.

Согласно квантовой теории процесс поглощения света связан с переходом электронов в поглощаемых атомах, ионах, молекулах, или твердом теле с более низких энергетических уровней на более высокие энергетические уровни.

В световых пучках большой интенсивности закон Бугера-Ламберта не выполняется.

Если в поглощающей среде искусственно создана инверсия населенности, то каждый фотон из падающего пучка света имеет большую вероятность индуцировать испускание точно такого же фотона, чем быть поглощенным самому (вынужденное излучение).

В этом случае интенсивность выходящего пучка света J превосходит интенсивность падающего света J₀.

Сл6едовательно, происходит не поглощение, а усиление света, что используется в квантовых усилителях и квантовых генераторах (лазерах).

Поглощение света используется в различных областях науки и техники в особо высокочувствительных методах количественного и качественного химического анализа.

2.2. Рассеяние света

Изменение какой-либо характеристики потока оптического излучения при его взаимодействии с веществом называют рассеянием света.

Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света.

Во многих случаях оказывается достаточно описать рассеяние света в рамках классической волновой теории излучения, с точки зрения которой падающая волна возбуждает в частицах среды вынужденные колебания электрических зарядов.

Это приводит к возникновению вторичных световых волн.

В случае оптически однородных веществ рассеивание отсутствует, так как вторичные волны взаимно поглощаются вследствие интерференции.

Обычно рассеяние света наблюдается в оптически неоднородных средах, показатель преломления которых изменяется от точки к точке.

Такими средами являются аэрозоли (туман, дым), эмульсии, коллоидные растворы, матовые стекла и т. д.

Если расстояние между малыми по размеру неоднородностями среды много больше длины волны падающего света, то излучаемые ими вторичные волны не когерентны и при наложении не могут интерферировать,.

Следовательно, неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рэлей показал, что интенсивность J света, рассеянного частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея),

т. е.

J ^4. (5)

Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощенного фотона, то рассеяние света называют рэлеевским, или упругим.

Последовательное описание рассеяния света возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения (света) с веществом, основанной на квантовой электродинамике и квантовых представлениях о строении вещества.

В этой теории единичный акт рассеяния света рассматривается как поглощение частицей вещества падающего фотона с энергией, импульсом и поляризацией, а затем испускание вторичного фотона с другими значениями энергии, импульса и поляризации.

Рассеяние света в кристаллах можно рассматривать как результат дифракции падающего излучения на упругих тепловых волнах гиперзвуковых частот 10¹⁰ Гц (явление Мандельштама - Бриллюэна).