55

Поглощение света,уменьшение интенсивностиоптического излучения(света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия приПоглощение светапереходит в различные формы внутренней энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.   Основной закон, описывающийПоглощение света, — закон Бугера, который связывает интенсивностиIсвета, прошедшего слой среды толщинойl, и исходного светового потокаI₀.Не зависящий отI,I₀ и lкоэффициентk_lназываетсяпоглощения показателем(ПП, в спектроскопии — поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света l. Этот закон установил на опыте в 1729 П.Бугер.В 1760 И.Ламбертвывел 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= —k_ldl(дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физический смысл закона состоит в том, что ПП не зависит отIиl(это было проверено С. И.Вавиловымэкспериментально с изменениемI~в 10²⁰раз).

  Зависимость k_lот l называется спектром поглощения вещества. Для изолированныхатомов(например, в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е.k _lотличен от 0 лишь в определённых узких диапазонах длин волн (шириной в десятые — сотые доли). Эти диапазоны соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутриатомов,«резонирующих» с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1). СпектрыПоглощение светаотдельных молекул также соответствуют собственным частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самихатомов,которые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектрыПоглощение светазанимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч. Наконец,Поглощение светажидкостями и твёрдыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч) с большими значениямиk_lи 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, изменениеПоглощение светамолекулярными газами с ростом давления — чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем «расплывчатее» полосы поглощения, которые при высоких давлениях становятся сходными со спектрамиПоглощение светажидкостями.   Ещё Бугер высказал убеждение, что дляПоглощение светаважны «не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах». Позднее немецкий учёный А. Бер (1852) экспериментально подтвердил это, показав, что приПоглощение светамолекулами 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:k_l = c_lс(правило Бера). Так законПоглощение светаприобрёл видБугера — Ламберта — Бера закона;;где c_lне зависит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физический смысл правила Бера состоит в утверждении независимостиПоглощение светамолекулами 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 малойоптической толщины,равной (в пренебрежении рассеянием света)k_ll.При возрастанииk_llПоглощение светасредой усиливается на всех частотах — линии и полосы поглощения расширяются. (Объяснение этому даёт квантовая теорияПоглощение света, учитывающая, в частности, многократное рассеяниефотоновв оптически «толстой» среде с изменением их частоты и, в конечном счёте, поглощением их частицами среды.) При достаточно большихk_ll среда поглощает всё проникающее в неё излучение какабсолютно чёрное тело.  В проводящих средах (металлах,плазмеи т.д.) световая энергия передаётся не только связанным электронам, но и (часто преимущественно) свободным электронам,k_l в таких средах сильно зависит от ихэлектропроводностиа.ЗначительноеПоглощение светав проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащийk_l входит в выражение для комплексногопреломления показателясреды. В несколько идеализированном случаеПоглощение светатолько свободными электронами (электронами проводимости)nk_l = 4ps/c (n —действительная часть показателя преломления,с — скорость света).ИзмеренияПоглощение светаметаллами позволяют определить многие характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются современной квантовой теориейметаллооптики.В теоретических расчётах часто пользуются величиной c,связанной сk_l  соотношением, где l — длина волны света в вакууме (а не в среде). Если (nc) равно 1, то в слое среды толщиной l интенсивность света уменьшается ве^4p,т. е. ~ в 100 000 раз. Т. к. очень сильноеПоглощение светахарактерно для металлов (по крайней мере в видимой и инфракрасной областях спектра), то, по предложению М.Планка,Поглощение светасредами с (nc) ³ 1 называется «металлическим».   В терминах квантовой теории приПоглощение светаэлектроны в поглощающихатомах,ионах, молекулах или твёрдых телах переходят с более низкихуровней энергиина более высокие (см. такжеКвантовые 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 интенсивностиПоглощение светамногими средами перестаёт подчиняться закону Бугера —k_l начинает зависеть отI.Связь междуIи I₀становится нелинейной (нелинейноеПоглощение света). 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 характерПоглощение светасредой. (Опыты Вавилова, показавшие соблюдение закона Бугера и при больших интенсивностях, выполнялись с веществами, молекулы которых возбуждаются очень ненадолго — на время ~ 10^-8сек — и в которых поэтому доля возбуждённых молекул всегда невелика.) Особый интерес представляет ситуация, когда в поглощающей среде искусственно созданаинверсия населённостейэнергетических 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 потокаIпревосходит интенсивность падающегоI₀,т. е. имеет место усиление света. Формально это явление соответствует отрицательностиk_l в законе Бугера и поэтому носит название отрицательногоПоглощение светаНа отрицательномПоглощение светаосновано действие оптическихквантовых усилителейи оптическихквантовых генераторов (лазеров).Поглощение светаширочайшим образом используется в различных областях науки и техники. Так, на нём основаны многие особо высокочувствительные методы количественного и качественногохимическогоанализа, в частности абсорбционныйспектральный анализ,спектрофотометрия,колориметрияи пр. Вид спектраПоглощение светаудаётся связать схимическойструктурой вещества, установить в молекулах наличие определённых связей (например,водородной связи), исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуруполупроводникови многих др. ПП можно определять и в проходящем, и в отражённом свете, т.к. интенсивность иполяризация светаприотражении светазависят отk_l(см.Френеля формулы).См. такжеМеталлооптика,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.,Атомнаяи 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. 2. Схематическое изображение широкой полосы поглощения света. 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." href="a_pictures/18/10/276366373.jpg">натрия. Набор линий соответствует набору собственных частот колебаний т. н. «оптических» электронов ватоме.ВNaнаблюдается до 50 пар таких линий (на рисунке для простоты показаны только три). Ввиду того, что максимумы поглощения чрезвычайно узки, масштаб рисунка грубо искажён." title="Рис. 1. Схематическое изображение нескольких пар линий поглощения света в парахнатрия.Набор линий соответствует набору собственных частот колебаний т. н. «оптических» электронов ватоме.ВNaнаблюдается до 50 пар таких линий (на рисунке для простоты показаны только три). Ввиду того, что максимумы поглощения чрезвычайно узки, масштаб рисунка грубо искажён." src="a_pictures/18/10/th_276366373.jpg"> Рис. 1. Схематическое изображение нескольких пар линий поглощения света в парахнатрия.Набор линий соответствует набору собственных частот колебаний т. н. «оптических» электронов ватоме.ВNaнаблюдается до 50 пар таких линий (на рисунке для простоты показаны только три). Ввиду того, что максимумы поглощения чрезвычайно узки, масштаб рисунка грубо искажён.

БУГЕРА-БЕРАзакон поглощения света, согласно которому светопоглощение пропорционально толщине поглощающей среды и концентрации поглощающего вещества. Отступления от закона Бугера-Бера наблюдаются в тех случаях, если с изменением концентрации вещества в растворе изменяется степень агрегации частичек, например из истинного молекулярно-дисперсного раствор делается коллоидным.

Краткая теория

При пропускании света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности является следствием взаимодействия световой волны с частицами (атомами и молекулами) вещества, в результате которого часть световой энергии передается веществу. Это явление получило название поглощения света.

Установим закон поглощения света веществом.

Пусть через однородное вещество проходит пучок параллельных монохроматических лучей длиной волны . Выделим элементарный слой вещества толщиной (рис. 1). При прохождении света через такой слой его интенсивностьIуменьшается. Изменение интенсивности пропорционально интенсивности падающего света и толщине слоя

, (1)

где  монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды. Знак "-" означает, что интенсивность света уменьшается.

Найдем интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной , если интенсивность входящего в слой света. Для этого проинтегрируем выражение (1), предварительно разделив переменные

.

В результате получим

ln

-

ln

,

откуда имеем:

.

(2)

Это закон Бугера. Он показывает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии. Натуральный монохроматический показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде ве раз.

Иногда закон Бугера записывается в виде

,

где  десятичный монохроматический показатель поглощения.

Свет различных длин волн поглощается веществом различно, поэтому показатели поглощения изависят от длины волны.

Монохроматический натуральный показатель поглощения раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе пропорционален концентрации С раствора (закон Бера):

, , (3)

где и натуральный и десятичный монохроматические показатели поглощения, отнесенные к концентрации вещества.

Закон Бера выполняется только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах он нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Подставляя выражения (3) в (2), получим закон Бугера Ламберта Бера:

или

.

(4)

Отношение называется коэффициентом пропускания. Оптическая плотность вещества равна

ln

ln

.

(5)

Из выражений (4) и (5) получаем

. (6)

Закон Бугера Ламберта Бера лежит в основе концентрационной колориметрии: фотометрических методов определения концентрации вещества в поглощающих окрашенных растворах. В концентрационной колориметрии используются методы, связанные с той или иной формой фотометрии, то есть изменением интенсивности света.

Нефелометрия(отдр.-греч.νεφέλη— облако) — определениеконцентрациивещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами. Нефелометрия позволяет, например, определять с помощью приборов нефелометровмолекулярную массуполимеров.

56

Поляриза́ция волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.^[1]

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;

• анизотропность среды распространения волн;

• преломление и отражение на границе двух сред.