Поглощение света

Световая волна несет с собой поток энергии электромагнитного поля. При прохождении светового пучка сквозь вещество происходит потеря этой энергии вследствие превращения ее в различные формы внутренней энергии вещества или в энергию вторичного излучения, которое от­личается от первичного не только спектральным составом, но и направ­лением распространения. Поглощение света может приводить к нагре­ванию вещества, ионизации или возбуждению атомов или молекул, фотохимическим процессам и т. п. Свободные электроны даже тонкого слоя вещества поглощают всю энергию электромагнитной волны. По­этому металлы прозрачны для света только в очень тонких слоях. Если через среду проходит световой поток Ф, то он будет на расстоянии от х до x+dx ослаблен на величину, равную

—dФ=ФKdx, (3)

где К — показатель поглощения, зависящий от длины волны света хи­мической природы и состояния вещества. Знак минус указывает на то, что происходит поглощение света. Данное уравнение написано исходя из предположения, что относительное ослабление света в беско­нечно тонком слое не зависит от светового потока и пропорционально толщине слоя dx. Отсюда следует

Ф = Ф_ое^-Кх (4)

где Ф — световой поток, прошедший через слой вещества толщиной х; Ф_о — падающий световой поток.

Данное выражение называется законом Бугера — Ламберта. Этот закон выполняется до тех пор, пока сохраняется независимость пока­зателя поглощения от светового потока. Если вместо К ввести величи­ну χ — показатель поглощения света на единицу концентрации погло­щающего вещества, то уравнение (4) примет вид

Ф = Ф_ое^-χСх (5)

где С — концентрация вещества.

В таком виде формула называется законом Бугера — Ламберта — Бера, который справедлив, так же как и закон Бугера — Ламберта (4), только для монохроматического света.

Экспериментальное определение показателя поглощения произво­дится с помощью спектрофотометра. Измеряются световые потоки, прошедшие через образцы, изготовленные из одного и того же материа­ла, но разной толщины х_г и х₂. Этот метод позволяет исключить погрешности измерения, связанные с отражением и рассеянием света на границах раздела сред. Для ха­рактеристики поглощения часто пользуются величиной, называемой пробегом излучения х_е, определяя его как расстояние, на кото­ром световой поток ослабляется в е=2,72 раза. Таким образом, коэффициент поглощения численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, по прохождении которого интен­сивность уменьшается в е=2,72 раза.

Закон Бугера — Ламберта — Бера с соответствующими значения­ми показателя поглощения применим для всего диапазона электро­магнитных волн: радиоволн, ультрафиолетового излучения, рентгенов­ских лучей, инфракрасного излучения, видимого света и гамма-кван­тов.

Однако этот закон носит приближенный характер, так как не учи­тывает двух обстоятельств: 1) многократного рассеяния света: фотон, многократно изменив свой путь, может снова вернуться в первоначаль­ный световой поток; 2) зависимости показателя поглощения от длины световой волны. Эта зависимость становится решающим фактором, когда частота электромагнитной волны становится близка или равна частоте собственных колебаний электронов атомов среды. Вследствие резонанса происходит полное поглощение излучения в слое вещества очень малой толщины.

В квантовых генераторах К<0 и наблюдается «отрицательное» поглощение, когда свет, прошедший через вещество, усиливается за счет энергии, полученной веществом от внешнего источника. На изме­рениях поглощения света в различных областях спектра основан метод химического анализа, так называемый абсорбционный спектральный анализ. Идентификация веществ в этом методе основывается на том, что спектр поглощения отображает индивидуальное и характерное свой­ство атомов и молекул данного вещества, вследствие чего по спектру удается надежно установить как молекулярный состав, так и количест­венное содержание отдельных компонентов в смесях. Показатель по­глощения можно определить как в проходящем, так и в отраженном свете, так как интенсивность отражения зависит от К. Для сильных поглотителей применим почти исключительно последний метод.