Поглощение света

Поглощение света

Поглощение света

Интенсивностьсвета, распространяющегося в среде,может уменьшатьсяиз-за поглощения и рассеяния егомолекулами (атомами)вещества.

Поглощениемсветаназываютослабление интенсивности света припрохождении через любое веществовследствие превращениясветовой энергии в другие виды энергии.

П

Рис. 24.1

оглощение кванта света происходитпри его неупругом столкновениис молекулой (атомом), приводящем кпередаче энергии фотонавеществу, и является случайнымсобытием.

Вероятность поглощениякванта света образцом веществатолщиной l(рис. 24.

1) оценивается величиной коэффициентапоглощения 1 Т, равногоотношению интенсивностейпоглощенного света Iп= I0 Iк интенсивности падающегоI0

(24.1)

гдеI— интенсивность прошедшего света, —коэф-фициентпропускания.

Выведемзакон поглощения света веществом.

Выделим тонкий слойвещества dx,перпендикулярныйпучку монохроматического светаинтенсивностью i(I0iI),и будем исходить из предположения,что ослабление света (доля поглощенныхквантов) -di/iтаким слоем независит от интенсивности (еслиинтенсивность не слишкомвелика), а определяется только толщинойслоя dxикоэффициентомпропорциональности k:

-di/i= kdx. (24.2)

Коэффициентk различендля разных длин волн и его величиназависит от природывещества. Интегрируя (24.2) и подставивпределыинтегрирования для хот0 до lидля iотI0 доI,получаем

откуда, потенцируя,имеем

(24.3)

Этаформула выражает законпоглощения света Бугера. Коэффициентkназываютнатуральным показателем поглощения,его величина обратна расстоянию, накотором интенсивность света ослабляетсяв результате поглощения в среде в ераз.

Таккак поглощение света обусловленовзаимодействием с молекулами(атомами), то закон поглощения можносвязать с некоторымихарактеристиками молекул.

Пусть n—концентрация молекул(число молекул в единице объема),поглощающих квантысвета.

Обозначим буквой sэффективное сечение поглощения молекулы— некоторую площадь, при попаданиифотона в которую происходит его захватмолекулой. Другими словами молекулуможно представить как мишень определеннойплощади.

Еслисчитать, что площадь сечения прямоугольногопараллелепипеда(рис. 24.1) равна S,то объем выделенного слоя Sdx,аколичествомолекул в нем nSdx;суммарноеэффективное сечение всехмолекул в этом слое будет snSdx.Доляплощади поперечного сеченияпоглощения всех молекул в общей площадисечения

(24.4)

Можносчитать, что такая же, как и (24.4), частьпопавших на слойквантов поглощается молекулами, ибоотношение площадей определяетвероятность взаимодействия одногокванта с молекулами выделенного слоя.Доля поглощенных слоем квантов равнаотносительномууменьшению интенсивности (di/i)света.На основанииизложенного можно записать

(24.5)

откуда послеинтегрирования и потенцирования имеем

I= I0e-snl. (24.6)

Вэто уравнение, аналогичное (24.3), входитпараметр s,который отражаетспособность молекул поглощатьмонохроматический светиспользуемой длины волны.

Болееприняты молярные концентрации С= n/NA,откудаn= CNA.

Преобразуемпроизведение sn= sCNA= C,где= sNA—натуральныймолярный показатель поглощения. Егофизический смысл— суммарное эффективное сечениепоглощения всех молекулодного моля вещества.

Если молекулы,поглощающие кванты,находятся в растворителе, который непоглощает свет, то можно(24.6) записать в виде

(24.7)

Этаформула выражает законБугера—Ламберта—Вера.Влабораторной практикеэтот закон обычно выражают черезпоказательнуюфункцию с основанием 10:

(24.8)

ЗаконБугера—Ламберта—Бера используютдля фотометрического определенияконцентрацииокрашенных веществ.

Для этогонепосредственно измеряют потокипадающегои прошедшего через раствор монохроматическогосвета (концентрационнаяколориметрия), однакоопределенныйтаким образом коэффициент пропусканияТ(или поглощения 1 — Т,см. (24.

1)) неудобен,так как он из-за вероятностного характерапроцесса связан с концентрациейнелинейно [см. (24.8) и рис. 24.2, а].Поэтомув количественном анализе обычноопределяютоптическуюплотность(D)раствора,представляющую десятичный логарифмвеличины, обратной коэффициентупропускания,

(24.9)

Рис. 24.2

Оптическаяплотность удобна тем, что оналинейно связана с концентрациейопределяемоговещества (рис. 24.2, б).

ЗаконБугера—Ламберта—Бера выполняется невсегда.

Он справедлив при следующихпредположениях: 1) используетсямонохроматический свет; 2) молекулырастворенноговещества в растворе распределеныравномерно; 3) при изменении концентрациихарактер взаимодействия междурастворенными молекулами не меняется(иначе фотофизические свойства вещества,в том числе и значенияsи ,будут изменяться);4) в процессе измерения непроисходят химические превращениямолекул под действием света;5) интенсивность падающего света должнабыть достаточно низка(чтобы концентрация невозбужденныхмолекул практически неуменьшалась в ходе измерения). Зависимостиs,,или Dотдлиныволны света называют спектрами поглощениявещества.

Спектрыпоглощения являются источникамиинформации о состояниивещества и о структуре энергетическихуровней атомов имолекул. Спектры поглощения используютдлякачественного анализа растворовокрашенных веществ.

Источник: https://studfile.net/preview/5242592/page:3/

Уширение спектральных линий

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Затухание приводит к тому, что колебания становятся немонохроматическими. Что в свою очередь ведет к уширению спектральных линий. Так, естественной шириной спектральной линии называют ширину соответствующей линии, которая вызвана затуханием в результате излучения. Для того чтобы найти такую ширину требуется поле излучения:

требуется разложить в интеграл Фурье. В таком случае квадраты коэффициентов полученного разложения определят относительные спектральные плотности излучения $I\left(\omega \right):$

Форма линии спектра изображена на рис.1. Ширину спектральной линии обычно характеризуют расстоянием между точками $AA'$ (рис.1). Эти точки располагаются по разные стороны от центра лини. В них интенсивность света равна половине интенсивности в центре линии. Такое расстояние называют полушириной спектральной линии.

Рисунок 1.

Естественная полуширина спектральной линии равна:

В квантовой физике время излучения связано со временем жизни возбужденного состояния.

Естественное затухание свечения изолированных атомов и уширение линий спектра эмпирически исследовал В. Вин. Он заставлял каналовые лучи, которые состояли из светящихся атомов, проходить сквозь узкое отверстие в область, где поддерживался вакуум.

В такой области атомы двигались без столкновений, при этом их свечение затухало, при увеличении расстояния от входа. Так оценивалось время естественного затухания.

Средняя скорость движения атомов каналовых лучей измерялась по смещению линий спектра Доплера.

Причины поглощения света

Все, что было сказано ранее, относилось к излучению изолированного атома. В веществе атом не только теряет энергию, излучая, но и получает ее от излучения других атомов.

Если среда является полностью оптически однородной, то процесс излучения и процесс поглощения взаимно компенсируют друг друга.

Если бы отсутствовали другие причины затухания, то плоская бегущая волна распространялась в веществе без ослабления.

При нарушении оптической однородности вещества (тепловых флуктуаций, посторонних включений в вещество) ситуация изменяется. Потери атомами энергии при излучении ведет к ослаблению волны. Но требуется отметить, что это рассеяние света, а истинное его поглощение. Истинным поглощением света называют процесс, при котором происходит превращение энергии волны света в тепло (другие формы энергии).

Причиной поглощения света считают столкновения атомов друг с другом в процессе их колебаний. Так, в теории уширения линий спектра, которая вызвана столкновениями атомов (молекул) газа, подобное изменение размера спектральных линий называют ударным. Ударное уширение спектральных линий определяют выражением:

где ${\tau }_{ud}\approx \frac{1}{N\sigma v}$ — среднее время свободного пробега атома между столкновениями. $N$- количество атомов в единице объема, $\sigma $ — газокинетическое сечение атома, $v$ — средняя скорость теплового движения атома.

Следующей причиной поглощения света является взаимодействие излучающего атома с силовыми (прежде всего электрическими) полями, которые создают окружающие атомы.

Закон поглощения света

Относительно изменения интенсивности световой волны, которая проходит через вещество и испытывает поглощение, работает закон Бугера:

где $I_0$ — интенсивность волны света на входе в вещество, $I$ — интенсивность волны света на выходе, $x$ — толщина слоя вещества, $\alpha $ — коэффициент поглощения вещества, который связан с длиной волны света, веществом.

Явление поглощения применяют в спектральном анализе смесей газов. Этот прием основан на измерении спектров частот и интенсивностей полос поглощения, так как спектральную структуру при поглощении определяет состав молекул.

Пример 1

Во сколько раз изменится интенсивность света ($\frac{I_0}{I_2}$), если толщина слоя вещества, которое он прошел, равна $2x.$ Тогда как если свет в этом же веществе прошел путь $x$, его интенсивность уменьшается в три раза.

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем закон Бугера:

\[I=I_0e{-\alpha x}\left(1.1\right).\]

Запишем закон (1.1) для случая, когда свет прошел путь $x$, и его интенсивность уменьшилась в три раза:

\[\frac{I_0}{3}=I_0e{-\alpha x}\to \frac{1}{3}=e{-\alpha x}\left(1.2\right).\]

Возьмем натуральный логарифм от обеих частей выражения (1.3) получим:

\[\alpha x=ln3\left(1.4\right).\]

Используем результат, полученный в (1.4), запишем интенсивность света на выходе из слоя ($I_2$) заданного вещества, если путь света равен $2x$:

\[I_2=I_0e{-2\alpha x}=I_0e{-2ln3}\left(1.5\right).\]

Найдем искомое отношение:

\[\frac{I_0}{I_2}=e{2ln3}.\]

Ответ: $\frac{I_0}{I_2}=e{2ln3}=9.$

Пример 2

Задание: Почему одной из причин возникновения поглощения света называют столкновения атомов в веществе друг с другом?

Решение:

Атомы, внутри которых идут колебания, совершая тепловое движение, сталкиваются между собой. В результате каждого столкновения резко изменяются амплитуды и фазы гармонических колебаний. В результате этого идет переход энергии колебательных движений в тепло (то есть поглощение света).

Ударные затухания особенно сильно проявляются в плотных газах и при высоких температурах. В обычных условиях столкновения оказывают большее влияние на затухание, чем излучение.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/pogloschenie_sveta/

Поглощение (абсорбция) света

Поглощение света

      Поглощением(абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

      Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы.

Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п.

При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеем

.

      Здесь E(x) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x;  – амплитуда в точке с координатой x = 0;  t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний;    коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

      Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

,

      где  – интенсивность волны на входе в среду.

      При , . Следовательно, коэффициент поглощенияфизическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

      Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала.

В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны.

Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а).

аб

Рис. 10.7

      Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов.

Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются.

В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

      Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е.

вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно  м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения).

Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно  м).

      Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно  м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

      Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света.

В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты.

Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

      На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения.

Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν).

Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Рис. 10.8

      Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным.

Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным.

Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

      Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

      Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.

Рис. 10.9

      С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

      Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Источник: http://ens.tpu.ru/posobie_fis_kusn/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B.%20%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0/10-4.htm

Поглощение света — это… Что такое Поглощение света?

Поглощение света
        уменьшение интенсивности оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П. с. переходит в различные формы внутренней энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

         Основной закон, описывающий П. с., — закон Бугера I света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока I0. Не зависящий от I, I0 и l коэффициент kλ называется поглощения показателем (См. Поглощения показатель) (ПП, в спектроскопии — поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света λ. Этот закон установил на опыте в 1729 П. Бугер. В 1760 И.

Ламберт вывел его теоретически из очень простых предположений, сводящихся к тому, что при прохождении слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на долю, которая зависит только от ПП и толщины слоя, т. е. dl/l= —kλdl (дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физический смысл закона состоит в том, что ПП не зависит от I и l (это было проверено С. И.

Вавиловым экспериментально с изменением I Поглощение света в 1020 раз).

         Зависимость kλ от λ называется спектром поглощения вещества. Для изолированных атомов (например, в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е. k λ отличен от 0 лишь в определённых узких диапазонах длин волн (шириной в десятые — сотые доли Å).

Эти диапазоны соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов, «резонирующих» с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1). Спектры П. с. отдельных молекул также соответствуют собственным частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самих атомов, которые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектры П. с.

занимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч Å. Наконец, П. с. жидкостями и твёрдыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч Å) с большими значениями kλ и плавным ходом его изменения (рис. 2).

Качественно это можно объяснить тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них. Другими словами, со световой волной «резонируют» не только отдельные частицы, но и многочисленные связи между ними. Об этом свидетельствует, например, изменение П. с.

молекулярными газами с ростом давления — чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем «расплывчатее» полосы поглощения, которые при высоких давлениях становятся сходными со спектрами П. с. жидкостями.

         Ещё Бугер высказал убеждение, что для П. с. важны «не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах». Позднее немецкий учёный А. Бер (1852) экспериментально подтвердил это, показав, что при П. с. молекулами газа или вещества, растворённого в практически непоглощающем растворителе, ПП пропорционален числу поглощающих молекул на единицу объёма (и, следовательно, на единицу длины пути световой волны), т. е. концентрации с: kλ = χλс (правило Бера). Так закон П. с. приобрёл вид Бугера — Ламберта — Бера закона; где χλ не зависит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физический смысл правила Бера состоит в утверждении независимости П. с. молекулами от их взаимодействия с окружением, и в реальных газах (даже при невысоких давлениях) и растворах наблюдаются многочисленные отступления от него.         Сказанное выше относится к средам сравнительно малой оптической толщины (См. Оптическая толщина), равной (в пренебрежении рассеянием света) kλl. При возрастании kλl П. с. средой усиливается на всех частотах — линии и полосы поглощения расширяются. (Объяснение этому даёт квантовая теория П. с., учитывающая, в частности, многократное рассеяние Фотонов в оптически «толстой» среде с изменением их частоты и, в конечном счёте, поглощением их частицами среды.) При достаточно больших kλl среда поглощает всё проникающее в неё излучение как Абсолютно чёрное тело.         В проводящих средах (металлах (См. Металлы), плазме (См. Плазма) и т.д.) световая энергия передаётся не только связанным электронам, но и (часто преимущественно) свободным электронам, kλ в таких средах сильно зависит от их электропроводности (См. Электропроводность) а. Значительное П. с. в проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащий kλ входит в выражение для комплексного преломления показателя (См. Преломления показатель) среды. В несколько идеализированном случае П. с. только свободными электронами (электронами проводимости) nkλ = 4πσ/c (n — действительная часть показателя преломления, с — Скорость света). Измерения П. с. металлами позволяют определить многие характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются современной квантовой теорией металлооптики (См. Металлооптика). В теоретических расчётах часто пользуются величиной χ, связанной с kλ соотношением nχ) равно 1, то в слое среды толщиной λ интенсивность света уменьшается в е4π, т. е. Поглощение света в 100 000 раз. Т. к. очень сильное П. с. характерно для металлов (по крайней мере в видимой и инфракрасной областях спектра), то, по предложению М. Планка, П. с. средами с (nχ) ≥ 1 называется «металлическим».         В терминах квантовой теории при П. с. электроны в поглощающих атомах, ионах, молекулах или твёрдых телах переходят с более низких уровней энергии (См. Уровни энергии) на более высокие (см. также Квантовые переходы). Обратный переход в основное состояние или в «нижнее» возбуждённое состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно. В последнем случае энергия возбуждённой частицы может, например, в столкновении с др. частицей перейти в кинетическую энергию сталкивающихся частиц (см. Столкновения атомные). Тип «обратного» перехода определяет, в какую форму энергии среды превращается энергия поглощённого света.         В световых потоках чрезвычайно большой интенсивности П. с. многими средами перестаёт подчиняться закону Бугера — kλ начинает зависеть от I. Связь между I и I0 становится нелинейной (нелинейное П. с.). Этот эффект, в частности, может быть обусловлен тем, что очень большая доля поглощающих частиц, перейдя в возбуждённое состояние и оставаясь в нём сравнительно долго, меняет (или совсем теряет) способность поглощать свет, что, разумеется, заметно изменяет характер П. с. средой. (Опыты Вавилова, показавшие соблюдение закона Бугера и при больших интенсивностях, выполнялись с веществами, молекулы которых возбуждаются очень ненадолго — на время Поглощение света 10-8 сек — и в которых поэтому доля возбуждённых молекул всегда невелика.) Особый интерес представляет ситуация, когда в поглощающей среде искусственно создана Инверсия населённостей энергетических уровней, при которой число возбуждённых состояний на верхнем уровне больше, чем на нижнем. В этом случае каждый фотон из падающего потока вызывает испускание ещё одного точно такого же фотона с большей вероятностью, чем поглощается сам (см. Излучение, в разделе Квантовая теория излучения). В результате интенсивность выходящего потока I превосходит интенсивность падающего I0, т. е. имеет место усиление света. Формально это явление соответствует отрицательности kλ в законе Бугера и поэтому носит название отрицательного П. с. На отрицательном П. с. основано действие оптических квантовых усилителей (См. Квантовый усилитель) и оптических квантовых генераторов (лазеров) (См. Квантовый генератор).         П. с. широчайшим образом используется в различных областях науки и техники. Так, на нём основаны многие особо высокочувствительные методы количественного и качественного химического анализа, в частности абсорбционный Спектральный анализ, Спектрофотометрия, Колориметрия и пр. Вид спектра П. с. удаётся связать с химической структурой вещества, установить в молекулах наличие определённых связей (например, водородной связи (См. Водородная связь)), исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников (См. Полупроводники) и многих др. ПП можно определять и в проходящем, и в отражённом свете, т.к. интенсивность и Поляризация света при отражении света (См. Отражение света) зависят от kλ (см. Френеля формулы). См. также Металлооптика, Спектроскопия.

         Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Ельяшевич М. А.

, Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Гайтлер В., Квантовая теория излучения, пер. с англ., М., 1956; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Мосс Т.

, Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961.

         А. П. Гагарин.

        

        Рис. 1. Схематическое изображение нескольких пар линий поглощения света в парах натрия. Набор линий соответствует набору собственных частот колебаний т. н. «оптических» электронов в атоме. В Na наблюдается до 50 пар таких линий (на рисунке для простоты показаны только три). Ввиду того, что максимумы поглощения чрезвычайно узки, масштаб рисунка грубо искажён.

        

        Рис. 2. Схематическое изображение широкой полосы поглощения света.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/121443/%D0%9F%D0%BE%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА

Поглощение света

Авторы: А. В. Белинский

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА, умень­ше­ние ин­тен­сив­но­сти све­та при про­хо­ж­де­нии че­рез ве­ще­ст­во вслед­ст­вие его взаи­мо­дей­ст­вия с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва. Элек­тро­маг­нит­ное по­ле све­то­вой вол­ны воз­бу­ж­да­ет до­пол­нит.

ко­ле­ба­ния элек­тро­нов и ио­нов ве­ще­ст­ва, на что рас­хо­ду­ет­ся энер­гия. Час­тич­но она воз­вра­ща­ет­ся в ви­де вто­рич­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. В тер­ми­нах кван­то­вой тео­рии про­цесс П. с.

свя­зан с пе­ре­хо­дом элек­тро­нов в ато­ма­х и мо­ле­ку­лах, по­гло­щаю­щих из­лу­че­ние, с низ­ких уров­ней энер­гии на бо­лее вы­со­кие.

Об­рат­ный пе­ре­ход в ос­нов­ное или ниж­нее воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние мо­жет со­вер­шать­ся с из­лу­че­ни­ем фо­то­на или бе­зыз­лу­ча­тель­но, или ком­би­ни­ро­ван­ным пу­тём, при­чём спо­соб об­рат­но­го пе­ре­хо­да оп­ре­де­ля­ет, в ка­кой вид энер­гии пе­ре­хо­дит энер­гия по­гло­щён­но­го све­та.

Обыч­но ин­тен­сив­ность све­та I умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем про­хо­ди­мо­го в ве­ще­ст­ве рас­стоя­ния l по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну: I=I0е–αl, где I0 – на­чаль­ная ин­тен­сив­ность све­та, α  – по­ка­за­тель по­гло­ще­ния, за­ви­ся­щий от про­зрач­но­сти сре­ды. Этот за­кон экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­лен П. Бу­ге­ром в 1729 и тео­ре­ти­че­ски вы­ве­ден И. Лам­бер­том в 1760 (см. Бу­ге­ра – Лам­бер­та – Бе­ра за­кон).

За­ви­си­мость по­ка­за­те­ля по­гло­ще­ния α от дли­ны вол­ны све­та λ на­зы­ва­ет­ся спек­тром по­гло­ще­ния ве­ще­ст­ва. Спектр по­гло­ще­ния изо­ли­ро­ван­ных ато­мов (напр., ато­мов раз­ре­жен­ных га­зов) со­сто­ит из уз­ких спек­траль­ных ли­ний, т. е.

по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α от­ли­чен от ну­ля толь­ко в оп­ре­де­лён­ных уз­ких диа­па­зо­нах длин волн (ши­ри­ной 0,1–1 нм), со­от­вет­ст­вую­щих час­то­там собств. ко­ле­ба­ний элек­тро­нов внут­ри ато­мов. Мо­ле­ку­ляр­ный спектр по­гло­ще­ния, оп­ре­де­ляе­мый ко­ле­ба­ния­ми ато­мов в мо­ле­ку­лах, со­сто­ит из по­лос по­гло­ще­ния (ши­ри­ной 10 нм – 10 мкм).

По­гло­ще­ние твёр­дых тел ха­рак­те­ри­зу­ет­ся, как пра­ви­ло, очень ши­ро­ким диа­па­зо­ном длин волн (10–100 мкм) с боль­шим зна­че­ни­ем α. Ка­че­ст­вен­но это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в кон­ден­си­ров. сре­дах силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду час­ти­ца­ми при­во­дит к бы­ст­рой пе­ре­да­че энер­гии, от­дан­ной све­том од­ной из них, все­му кол­лек­ти­ву час­тиц.

Все эти час­ти­цы из­лу­ча­ют на несколько раз­ли­чаю­щих­ся час­то­тах, в ре­зуль­та­те че­го спектр ста­но­вит­ся ши­ро­ким.

В про­во­дя­щих сре­дах (ме­тал­лах, плаз­ме) взаи­мо­дей­ст­вие со све­том в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет­ся сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми, по­это­му α за­ви­сит от элек­тро­про­вод­но­сти сре­ды. П. с.

в про­во­дя­щих сре­дах силь­но влия­ет на все про­цес­сы рас­про­стра­не­ния све­та в них; фор­маль­но это учи­ты­ва­ет­ся тем, что член, со­дер­жа­щий α, вхо­дит в вы­ра­же­ние для ком­плекс­но­го по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сре­ды. Па­даю­щая све­то­вая вол­на по­гло­ща­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью в тон­ком (ок.

10 нм) слое; её энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию дви­же­ния элек­трон­ной плаз­мы. Дви­жу­щие­ся элек­тро­ны из­лу­ча­ют, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся от­ра­жён­ная вол­на, уно­ся­щая до 99% энер­гии (под­роб­нее см. в ст. Ме­тал­ло­оп­ти­ка). Тем не ме­нее мож­но сде­лать та­кой тон­кий слой зо­ло­той фоль­ги, что он бу­дет час­тич­но про­пус­кать свет.

Мож­но так­же на­пы­лить тон­кий слой се­реб­ра на стек­ло или др. про­зрач­ную под­лож­ку, и это бу­дет час­тич­но про­пус­каю­щим (ок. 30%) и час­тич­но от­ра­жаю­щим (ок. 30%) по­кры­ти­ем, ис­поль­зуе­мым в ка­че­ст­ве све­то­де­ли­те­ля. Ос­таль­ные ≈40% све­та по­гло­ща­ют­ся.

Ко­гда свет по­гло­ща­ет­ся мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва, рас­тво­рён­но­го в прак­ти­че­ски не по­гло­щаю­щем рас­тво­ри­те­ле, или мо­ле­ку­ла­ми га­за, по­ка­за­тель α ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ным чис­лу по­гло­щаю­щих мо­ле­кул на еди­ни­це дли­ны пу­ти све­то­вой вол­ны, или, что то же, в еди­ни­це объ­ё­ма, за­пол­нен­но­го про­хо­дя­щим све­том, т. е. про­пор­цио­на­лен кон­цен­тра­ции С рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва (ус­та­нов­ле­но нем. учёным А. Бе­ром, 1852). В ре­аль­ных га­зах и рас­тво­рах это вы­пол­ня­ет­ся не все­гда.

Спек­тры по­гло­ще­ния мо­гут быть на­столь­ко ин­ди­ви­ду­аль­ны­ми, что по ним мож­но эф­фек­тив­но кон­тро­ли­ро­вать хи­мич. со­став рас­тво­ров. Напр., аде­к­ват­ным спо­со­бом про­вер­ки под­лин­но­сти ал­ко­голь­ной про­дук­ции яв­ля­ет­ся из­ме­ре­ние спек­тров по­гло­ще­ния, ин­ди­ви­ду­аль­ных не толь­ко для про­из­во­ди­те­лей, но и для поч­вы, на ко­то­рой рос ви­но­град.

При вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях све­та на­чи­на­ют про­яв­лять­ся не­ли­ней­ные эф­фек­ты, α ста­но­вит­ся функ­ци­ей ин­тен­сив­но­сти све­та и за­кон Бу­ге­ра на­ру­ша­ет­ся (не­ли­ней­ное П. с.). Та­кие эф­фек­ты мо­гут про­ис­хо­дить и при од­но­вре­мен­ном по­гло­ще­нии не­сколь­ких фо­то­нов (см. Мно­го­фо­тон­ное по­гло­ще­ние све­та).

Ин­тен­сив­ность флук­туи­рую­ще­го по­то­ка фо­то­нов при этом ста­би­ли­зи­ру­ет­ся; изъ­я­тие фо­то­нов из ис­ход­но­го пуч­ка мо­жет про­ис­хо­дит пáрами (двух­фо­тон­ное по­гло­ще­ние), трой­ка­ми и т. д. Про­ре­жи­ва­ние пуч­ка про­ис­хо­дит в мес­тах наи­боль­шей кон­цен­тра­ции фо­то­нов, т. е. во флук­туа­ци­он­ных вспле­сках ин­тен­сив­но­сти.

В ре­зуль­та­те вспле­ски сгла­жи­ва­ют­ся и по­ток фо­то­нов ста­но­вит­ся бо­лее ре­гу­ляр­ным. В та­ких не­ли­ней­ных про­цес­сах эф­фек­тив­ность по­дав­ле­ния фо­тон­ных флук­туа­ций не­вы­со­ка, тем не ме­нее они по­зво­ля­ют сни­зить фо­тон­ные шу­мы да­же ни­же уров­ня шу­ма иде­аль­но­го ла­зе­ра, что осо­бен­но важ­но в сверх­точ­ных оп­тич.

из­ме­ре­ни­ях.

Про­ти­во­по­лож­ным про­цес­сом яв­ля­ется не­ли­ней­ный на­сы­ще­ния эф­фект, обу­слов­лен­ный тем, что очень боль­шая до­ля по­гло­щаю­щих час­тиц, пе­рей­дя в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и ос­та­ва­ясь в нём срав­ни­тель­но дол­го, те­ря­ет спо­соб­ность по­гло­щать свет, что за­мет­но из­ме­ня­ет ха­рак­тер П. с. сре­дой. Ко­гда поч­ти все элек­тро­ны ве­ще­ст­ва под дей­ст­ви­ем све­та пе­ре­хо­дят в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и по­гло­щаю­щих час­тиц нет, на­сту­па­ет т. н. про­свет­ле­ние среды – прак­ти­че­ски пол­ное от­сут­ст­вие по­гло­ще­ния (см. Про­свет­ле­ния эф­фект).

Ес­ли в по­гло­щаю­щей сре­де ис­кус­ст­вен­но соз­да­на ин­вер­сия на­се­лён­но­стей, то ка­ж­дый фо­тон из па­даю­ще­го по­то­ка име­ет бóльшую ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­вать ис­пус­ка­ние точ­но та­ко­го же фо­то­на, чем быть по­гло­щён­ным са­мо­му (см. Вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние).

В этом слу­чае ин­тен­сив­ность вы­хо­дя­ще­го све­та пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го, т. е. име­ет ме­сто уси­ле­ние све­та, а по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α ста­но­вит­ся от­ри­ца­тель­ным, по­это­му та­кое яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся от­ри­ца­тель­ным П. с.

На нём ос­но­ва­но дей­ст­вие кван­то­вых ге­не­ра­то­ров (ла­зе­ров) и кван­то­вых уси­ли­те­лей.

Не­ли­ней­ные эф­фек­ты по­гло­ще­ния мо­гут про­яв­лять­ся не толь­ко при боль­ших ин­тен­сив­но­стях из­лу­че­ния. Напр., для са­мо­про­из­воль­но­го по­тем­не­ния солн­це­за­щит­ных оч­ков с ме­няю­щей­ся про­зрач­но­стью дос­та­точ­но яр­ко­го сол­неч­но­го све­та.

П. с. ис­поль­зу­ет­ся в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки. На нём ос­но­ва­ны осо­бо вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ные ме­то­ды ко­ли­че­ст­вен­но­го и ка­че­ст­вен­но­го хи­мич.

ана­ли­за (в ча­ст­но­сти, аб­сорб­ци­он­ный спек­траль­ный ана­лиз), спек­тро­фо­то­мет­рия, ко­ло­ри­мет­рия и др. Вид спек­тра П. с. уда­ёт­ся свя­зать с хи­мич.

струк­ту­рой ве­ще­ст­ва; по ви­ду спек­тра мож­но так­же ис­сле­до­вать ха­рак­тер дви­же­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, вы­яс­нить зон­ную струк­ту­ру по­лу­про­вод­ни­ков и др.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/3148377

Booksm
Добавить комментарий