§ 62. Поглинання світла

Електромагнітна теорія світла зв'язала між собою оптичні й електричні властивості тіл. Зокрема, вона по­яснила, чому діелектрики прозорі, а метали, навпаки, практично непрозорі для світла.

Під час проходження електромагнітної хвилі через речовину частина енергії хвилі витрачається на збудження коливань електронів. Коливаючись, електрони випромі­нюють вторинні хвилі тієї самої частоти. В результаті інтерференції падаючої хвилі з вторинною в середовищі виникає хвиля з амплітудою, іншою, ніж амплітуда па­даючої хвилі. Оскільки інтенсивність є величина, прямо пропорційна квадратові амплітуди, то відповідно змінює­ться й інтенсивність випромінювання, яке поширюється в середовищі; інакше кажучи, не вся поглинута атомами і молекулами середовища енергія повертається у вигляді

випромінювання — відбувається поглинання світла. По­глинута енергія може перетворитися в інші види енергії. Збуджені атоми й молекули взаємодіють і стикаються одні з одними. Під час цих зіткнень енергія коливань електрично заряджених частинок всередині атомів може переходити в енергію зовнішнього хаотичного руху атомів у цілому. В металах електромагнітна хвиля приводить в коливальний рух вільні електрони, які потім під час зіткнень віддають нагромаджену енергію іонам криста­лічної решітки і тим самим нагрівають останню. У деяких випадках енергія, поглинута молекулою, концентрується на певному хімічному зв'язку і повністю витрачається на розривання цього зв'язку (фотохімічні реакції, тобто реакції, які відбуваються за рахунок енергії світлової хвилі).

Зменшення енергії світлової хвилі, яке відбувається в міру проникнення її вглиб речовини, дістало назву поглинання світла.

Прозорість діелектриків пояснюється тим, що в них від­сутні вільні електрони. Під час проходження через діелек­трик світлові хвилі можуть викликати лише коливання зв'язаних в атомах електронів, при якому не відбувається втрат енергії світлової хвилі. Поглинання діелектриків є великим лише в областях резонансу, тобто там, де час­тота падаючої хвилі наближається до власної частоти коливань електронів в атомах.

На відміну від діелектриків провідники непрозорі і ха­рактеризуються великим поглинанням, причому майже у всіх частинах спектра. Уже при товщині металевої пла­стинки порядку десятих часток міліметра метали зовсім непрозорі.

З великим поглинанням світла всередині металів тісно зв'язаний їх великий коефіцієнт відбивання світла. Якщо для скла коефіцієнт відбивання від поверхні дорівнює 4 %, то для металів він досягає 80—90 %.

При значній оптичній неоднорідності середовища (пи­линки^ флуктуації густини) певна частина електромагніт­них хвиль, випромінюваних назад збудженими атомами і молекулами, є некогерентною відносно падаючих хвиль і розсіюється у всі боки. Внаслідок такого розсіювання енергія падаючого пучка світла поступово зменшується, так само, як і при необоротному переході енергії збудже­них атомів в інші види енергії.

Досліди, проведені ще в XVIII ст. П. Бугером та І. Ламбертом, показали, що поглинання світла зростав

в геометричній прогресії при збільшенні товщини погли­наючого шару в арифметичній прогресії, і встановили емпіричну формулу, яка зв'язує інтенсивність світла / з товщиною пройденого шара х:

(62.1)

де— Інтенсивність падаючого світла, а а — константа, характерна для речовини.

Величина а носить назву коефіцієнта поглинання. Він залежить лише від довжини хвилі падаючого світла, хімічної природи і стану речовини. Важливо підкреслити, що коефіцієнт поглинання не залежить від інтенсивності світла, а значить і від товщини поглинаючого шару. Його фізичний зміст легко установити, записавши рівнян­ня (62.1) у такому вигляді:

Якщо при товщині шару x=d відношення, то

. Таким чином, коефіцієнт поглинання чисельно до­рівнює одиниці, поділеній на товщину шару речовини, під час проходження через який інтенсивність світла змен­шується враза. Незалежність сс від х означає, що відносне послаблення інтенсивності світла в кожному шарі речовини одне й те саме.

Якісне уявлення про залежність поглинання від дов­жини хвилі падаючого світла можна дістати, сфотогра­фувавши суцільний спектр будь-якого джерела через шар поглинаючої речовини. Чим більший коефіцієнт погли­нання, тим чіткіше виявляється послаблення інтенсивності відповідних ділянок спектра. Як правило, спектри погли­нання твердих тіл і рідин мають широкі області значного поглинання. Ці області прийнято називати смугами погли­нання. У прозорих тілах смуги поглинання припадають на невидимі оком області спектра (інфрачервона або ультра­фіолетова), в забарвлених тілах (зокрема розчинів фарб) смути поглинання знаходяться у відповідних ділянках видимої частини спектра.

Наприклад, «червоним» є скло, яке слабко поглинав червоні і оранжеві промені і добре поглинає сині, зелені і фіолетові. Якщо на таке скло падає біле світло, яке в

сумішшю хвиль різної довжини, то через нього пройдуть довші — червоні й оранжеві хвилі, а коротші — сині, фіолетові — будуть поглинуті.

При освітленні світлом таке скло здаватиметься «чор­ним», оскільки ці промені добре поглинаються таким склом.

П. Бугер і незалежно від нього А. Бер (1852 р.) устано­вили, що коефіцієнт поглинання монохроматичного світла в розчині поглинаючої речовини (в розчиннику, який не поглинає) пропорційний концентрації розчину:

(62.2)

Цю залежність називають законом Бера. Він справедли­вий для розбавлених розчинів (розчинів дуже малої кон­центрації) і газів. У концентрованих розчинах він пору­шується через вплив взаємодії між близько розміщеними молекулами поглинаючої речовини.

Експериментальна перевірка закону Бугера (62.1) при різних інтенсивностях світла була проведена С. І. Вавіло­вим, який виявив відхилення від цього закону. В 1925 р. він спостерігав зменшення поглинання світла великої інтенсивності під час поширення в урановому склі.

Виявляється, що під час проходження через речовину потужних потоків світла прозорість речовини істотно змі­нюється. Деякі речовини, оптично непрозорі для слабкого випромінювання, стають прозорими при поширенні через них потужного випромінювання" (просвітлення речовини). Спостерігаються і зворотні явища (затемнення речовини).

Якісно зміну коефіцієнта поглинання під дією потуж­ного випромінювання (просвітлення речовини) можна пояснити так: за рахунок поглинання енергії потужного випромінювання частина атомів (чи молекул) речовини переходить у збуджений стан. В результаті частка не-збуджених атомів, здатних поглинати енергію зовнішньо­го випромінювання, зменшується, отже, зменшується здат­ність речовини до поглинання. Таке зменшення став помітним при великих інтенсивностях.

У 1940 р. В. О. Фабрикант показав, що при певних ста­нах речовини коефіцієнт поглинання може стати від'єм­ним. Речовини з від'ємними коефіцієнтами поглинання використовуються для створення квантових підсилюва­чів радіохвиль і видимого світла, які називаються відпо­відно мазерами і лазерами (див. § 103).