ВОЛНОВАЯ ОПТИКА 21. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ

Содержание Назад Далее

21.3. Поглощение света

Как было выяснено в разделе (21.1), световая волна, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов. Ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны (16.4). Эти вторичные волны имеют ту же частоту, что и частота падающей волны. В однородной среде результат интерференции (18.3) всех вторичных волн между собой и с падающей на вещество волной отличен от нуля только в одном направлении - в направлении распространения преломленной волны. Скорость распространения результирующей волны в среде становиться меньше скорости света в вакууме, так объясняется возникновение показателя преломления. Причина поглощения света, т.е. перехода энергии световой волны в тепловую энергию, следующая. Атомы вещества, внутри которых происходят вызванные световой волной колебания электронов, участвуют в хаотическом тепловом движении и сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия колебательного движения электронов переходит в энергию теплового движения атомов - происходит поглощение света.

21.3.1. Закон Бугера

Как показывает опыт интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:

.

Здесь I₀ - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x,

α - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.

Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 10²⁰ раз), С. И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения α уменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10^-8 с.) находится в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.

21.3.1.1. Зависимость коэффициента поглощения от частоты

Для веществ у которых атомы не взаимодействуют друг с другом, таких как газы, пары металлов при невысоком давлении, коэффициент поглощения α для большинства частот (длин волн) близок к нулю. Резкие максимумы обнаруживаются для очень узких областей частот вблизи резонансных частот ω_0i колебаний электронов в атомах. Качественно вид зависимости α(ω₀) для этого случая изображен на следующем рисунке:

При увеличении взаимодействия между атомами, по мере повышения давления газов, максимумы поглощения уширяются. В твердых телах и жидкостях, где взаимодействие между атомами велико, наблюдаются широкие полосы поглощения. Качественный вид зависимости α(ω₀) для этого случая дает следующий рисунок:

Для металлов коэффициент поглощения имеет порядок 10⁸м^-1. Это означает, что на расстоянии 10^-8м свет ослабляется в е = 2,73... раз, т.е. металлы практически непрозрачны для света. Объясняется это наличием в металлах свободных электронов, которые под действием электронного поля световой волны начинают совершать колебательное движение. Если сопротивление металла мало, то электроны почти полностью переизлучают полученную от световой волны энергию (у серебра отражение достигает 99%). В металлах с худшей проводимостью доля от-раженной энергии меньше, значительная часть энергии световой волны при этом переходит в джоулево тепло (у железа отражается 30-40% энергии падающей световой волны). При увеличении частоты света ситуация изменяется: тонкие слои металлов, совершенно непрозрачные для видимого света становятся прозрачными для ультрафиолета.

21.4. Рассеяние света

Как было отмечено в разделе (21.3) в оптически однородной среде результат интерференции всех вторичных волн с первичной падающей на вещество волной отличен от нуля только для одного направления - направления распространения световой волны в среде. Таким образом, в оптически однородной среде рассеяние света, т.е. перераспределение энергии световой волны по направлениям происходить не может. Необходимым условием рассеяния света является наличие оптической неоднородности среды.

Неоднородность эта может быть вызвана наличием в рассеивающей среде мельчайших частичек другой среды, например, взвесь в газах мельчайших частичек жидкостей (туманы) и т.д. Такие среды с явно выраженной оптической неоднородностью, называют мутными средами. Характер рассеяния в этом случае зависит от соотношения между размером неоднородностей r и длиной волны света λ.

21.4.1. Геометрическое рассеяние

Для больших частиц, (а >> λ) наблюдается геометрическое рассеяние. В этом случае весь свет, падающий на поверхность крупной частицы рассеивается в стороны:

21.4.2. Рассеивание на малых частицах (а << λ). Закон Релея

Если размер рассеивающих частиц а << λ, то вынужденные колебания всех электронов, одной такой частички, возбуждаемые световой волной, происходят в одной фазе. Такую частичку можно рассматривать как один колеблющийся диполь. Излучение диполя было рассмотрено в разделе (16.4). Интенсивность излучения диполя, колеблющегося по гармоническому закону (16.4.2.2) пропорциональна четвертой степени частоты, т.е.:

.

Такая зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны для рассеяния на частицах с размерами а << λ впервые была получена Релеем и носит название закона Релея.

Даже при рассеянии естественного света рассеянное малыми частицами излучение поляризовано. Если наблюдение вести в направлении, перпендикулярном первичному пучку, то будет наблюдаться полная линейная поляризация рассеянного света. Это обусловлено видом диаграммы направленности излучения диполя (16.4.2.3) и иллюстрируется рисунками а) и б).

		На рисунке а) двойной стрелкой изображены колебания диполя , направленные перпендикулярно направлению наблюдения, которое, в свою очередь, перпендикулярно первоначальному лучу света. Диаграмма направленности излучения диполя в направлении наблюдения имеет максимум. Диполь изучает в этом направлении линейно поляризованную световую волну, вектор которой изображен на рисунке.
		На рисунке б) двойная стрелка изображает колебания диполя , которые происходят в направлении излучения. Диаграмма направленности излучения диполя своим нулевым минимумом направлена к наблюдателю, диполь в направлении наблюдения не излучает.

Если наблюдение рассеянного света ведется в произвольном направлении, не перпендикулярном первоначальному лучу света, то поляризация рассеянного света будет частичной.

21.4.3. Молекулярное рассеяние

Рассеяние наблюдается даже в тщательно очищенных от посторонних примесей жидкостях и газах. В этом случае нарушение оптической однородности среды возникают из-за отклонений плотности вещества в пределах малых объемов от ее среднего значения (флуктуации плотности). Возникают эти флуктуации из-за беспорядочного теплового движения молекул вещества. Интенсивность молекулярного рассеяния подчиняется закону Релея (21.4.2). Именно эти объясняется голубой цвет неба и красный цвет зари.

Сибирская государственная геодезическая академия (СГГА), 2003.