Поглощение света

Из опытов известно, что по мере расп­ространения плоской световой волны в ве­ществе ее интенсивность постепенно умень­шается.

Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии электромагнитного поля волны во внутреннюю энергию вещества или в энер­гию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав и иные направления распространения. Поглощение света может вызывать на­гревание вещества, возбуждение и иони­зацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.

Еще в XVIII в. П. Бугер (1729) экспе­риментально, а И. Ламберт (1760) теорети­чески установили закон поглощения света, называемый законом Бугера — Ламберта: интенсивность плоской волны монохроматиче­ского света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциально­му закону:

Здесь I₀ и I — интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной х; а — натуральный показатель поглощения среды, который зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от дли­ны волны света  и есть величина, обратная расстоянию, на ко­тором интенсивность плоской монохромати­ческой волны уменьшается в е = 2,718 раза.

Для разбавленного раствора поглощаю­щего вещества в не поглощающем раствори­теле выполняется закон Бера: а = bc, где с — концентрация раствора, а b — коэффи­циент пропорциональности, не зависящий от с. В концентрированных растворах закон Бера нарушается из-за влияния взаимодей­ствия между близко расположенными моле­кулами поглощающего вещества.

Зависимость натурального показателя поглощения диэлектрика а' от длины волны света , характеризующая спектр погло­щения света в этой среде, связана с явлени­ем резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. Диэлектрики поглощают свет более или менее селективно: поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электро­нов в атомах и атомов в молекулах. Наибо­лее четко это явление резонансного погло­щения света обнаруживается у разрежен­ных одноатомных газов (например, у паров большинства металлов), для которых ха­рактерен линейчатый спектр поглощения света. Дискретные частоты интенсивного поглощения света совпадают с частотами собственного излучения возбужденных ато­мов этих газов.

У газов с многоатомными молекулами наблюдаются системы тесно расположен­ных линий, образующих полосы поглоще­ния. Структура полос поглощения опреде­ляется составом и строением молекул. Жид­кие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения, состоящие из сравнительно широких полос поглощения, в преде­лах которых натуральный показатель по­глощения а' достигает значительной вели­чины и плавно изменяется в зависимости от длины волны . Такой ход зависимости а' от  у конденсированных сред объясняется сильным взаимодействием между частица­ми среды, приводящим к появлению множе­ства дополнительных резонансных частот.

И С. И. Вавилов и В. Л. Лёвшин (1926) в экспериментах по поглощению света в урановом стекле обнаружили первый не­линейный эффект в оптике: оказалось, что показатель поглощения а' уранового стек­ла зависит от интенсивности I света, умень­шаясь с увеличением I. Такой характер за­висимости а' от I легко истолковывается в квантовой теории взаимодействия света с веществом. При поглощении света часть молекул среды переходит в возбужденное состояние. Эти молекулы не могут участво­вать в дальнейшем поглощении света до тех пор, пока они не вернутся, растратив свою избыточную энергию, в невозбужденное («нормальное») состояние. Доля возбуж­денных молекул среды тем больше, чем больше интенсивность света и чем больше среднее время <> жизни молекулы в воз­бужденном состоянии. Если доля этих моле­кул незначительна, то поглощение света происходит в соответствии с законом Буге­ра — Ламберта. В противном случае а' уменьшается с ростом интенсивности света.

В. А. Фабрикант показал (1940), что можно осуществить такое неравновесное состояние вещества, при котором доля воз­бужденных молекул будет столь велика, что коэффициент поглощения вещества станет отрицательным. Это возможно, когда число актов поглощения света, пропорциональное числу невозбужденных молекул, меньше числа актов вынужденного излучения света возбужденными молекулами, пропорцио­нального числу последних. Среды с отрица­тельными коэффициентами поглощения ис­пользуются для создания квантовых генера­торов радиоволн и видимого света, на­зываемых соответственно мазерами и лазе­рами/

В заключение рассмотрим вопрос об отражении и поглощении света металлами. В газообразном состоянии металлы являют­ся диэлектриками и не обнаруживают ка­ких-либо аномальных оптических свойств. В конденсированном состоянии металлы со­держат огромное количество электронов проводимости и потому обладают высокой электрической проводимостью. Под дей­ствием света электроны проводимости со­вершают переменное движение и излучают вторичные волны. В результате наложения первичной волны, падающей на поверхность металла, и вторичных волн образуются ин­тенсивная отраженная волна и сравнитель­но слабая волна, проходящая в металл. Коэффициент отражения может достигать 0,95 и более. Он зависит от чистоты по­верхности металла, его электрической про­водимости и частоты света. Преломленная волна очень быстро поглощается в металле. Ее энергия расходуется на джоулеву тепло­ту, выделяемую токами проводимости, воз­никающими под действием света в тонком слое металла у его поверхности. В области частот инфракрасного излучения оптиче­ские свойства металлов определяются глав­ным образом электронами проводимости. Однако в области видимого света и особен­но ультрафиолетового излучения заметную роль начинают играть связанные электро­ны, находящиеся в ионах металла. Это при­водит к уменьшению коэффициента отраже­ния и заметной его зависимости от частоты.