9.3 Елементарна теорія дисперсії

9.4 Поглинання світла

Поглинання світла - зменшення інтенсивності оптичного випромінювання (світла), що проходить через матеріальне середовище, за рахунок процесів його взаємодії з середовищем. Світлова енергія при П. с. переходить в різні форми внутрішньої енергії середовища; вона може бути повністю або частково перєїзлучена середовищем на частотах, відмінних від частоти поглиненого випромінювання.

Основний закон, що описує П. с., — закон Бугера, який зв'язує інтенсивності I світла, яке пройшло шар середовища завтовшки l , і вихідного світлового потоку I 0 . Не залежний від I, I 0 і l коефіцієнт до l називається поглинання показником (ПП, в спектроскопії — поглинання коефіцієнтом); як правило, він різний для різних довжин світла l . Цей закон встановив на досвіді в 1729 П. Бугер . В 1760 І. Ламберт вивів його теоретично з дуже простих припущень, що зводяться до того, що при проходженні шаруючи речовини інтенсивність світлового потоку зменшується на долю, яка залежить лише від ПП і товщини шаруючи, тобто dl/l= —k l dl .

Залежність k l від l називається спектром поглинання речовини. Для ізольованих атомів (наприклад, в розріджених газах) він має вигляд набору вузьких ліній, тобто k l відмінний від 0 лише в певних вузьких діапазонах довжин хвиль (шириною в десяті — соті долі ). Ці діапазони відповідають частотам власних коливань електронів усередині атомів, «резонуючих» з проходящим випромінюванням і тому поглинаючих з нього енергію ( мал. 1 ). Спектри П. с. окремих молекул також відповідають власним частотам, але набагато повільніших коливань усередині молекул самих атомів, які значно важче за електрони. Молекулярні спектри П. с. займають істотно ширші області довжин хвиль, т.з. смуги поглинання, шириною від одиниць до тисяч . Нарешті, П. с. рідинами і твердими тілами зазвичай характеризується дуже широкими областями (тисячі і десятки тисяч ) з великими значеннями до l і плавного ходу його зміни ( мал. 2 ). Якісно це можна пояснити тим, що в середовищах, що конденсують, сильна взаємодія між частками приводить до швидкої передачі всьому колективу часток енергії, відданої світлом однієї з них. Іншими словами, зі світловою хвилею «резонують» не лише окремі частки, але і багаточисельні зв'язки між ними. Про це свідчить, наприклад, зміна П. с. молекулярними газами із зростанням тиску — чим вище тиск (чим сильніше взаємодія часток), тим «распливчатєє» смуги поглинання, які при високому тиску стають схожими із спектрами П. с. рідинами.

В провідних середовищах ( металах, плазмі і т.д.) світлова енергія передається не лише зв'язаним електронам, але і (часто переважно) вільним електронам, до l в таких середовищах сильно залежить від їх електропровідності а. Значне П. с. в провідних середовищах дуже сильно впливає на всі процеси поширення світла в них; це формально враховується тим, що член, , що містить, до l входить у вираження для комплексного заломлення показника середовища. У декілька випадку П., що ідеалізується, с. лише вільними електронами (електронами провідності) nk l = 4ps /c ( n — дійсна частина показника заломлення, з — швидкість світла ) . Виміри П. с. металами дозволяють визначити багато характерних їх властивостей; дослідні дані при цьому добре описуються сучасною квантовою теорією металооптики . В теоретичних розрахунках часто користуються величиною c, пов'язаною з k l співвідношенням, де l — довжина хвилі світла у вакуумі (а не в середовищі). Якщо ( n з) рівне 1, то в шарі середовища завтовшки l інтенсивність світла зменшується в е 4 p , тобто ~ у 100 000 разів. Т. до. дуже сильне П. с. характерний для металів (принаймні у видимій і інфрачервоній областях спектру), то, по пропозиції М. Планка, П. с. середовищами з ( n з) ³ 1 називається «металевим».

В термінах квантової теорії при П. с. електрони в поглинаючих атомах, іонах, молекулах або твердих тілах переходять з нижчих рівнів енергії на вищі (див. також Квантові переходи ). Зворотний перехід в основний стан або в «нижній» збуджений стан може здійснюватися з випромінюванням фотона або безвипромінювальний. У останньому випадку енергія збудженої частки може, наприклад, в зіткненні з ін. часткою перейти в кінетичну енергію часток (див. Зіткнення атомні ) , що стикаються . Тип «зворотного» переходу визначає, на яку форму енергії середовища перетворюється енергія поглиненого світла.

П. с. щонайширшим чином використовується в різних галузях науки і техніки. Так, на нім засновано багато особливо високочутливих методів кількісного і якісного хімічного аналізу, зокрема абсорбція спектральний аналіз, спектрофотометрія, колориметрія і пр. Вигляд спектру П. с. удається пов'язати з хімічною структурою речовини, встановити в молекулах наявність певних зв'язків (наприклад, водневому зв'язку ) , досліджувати характер руху електронів в металах, з'ясувати зонну структуру напівпровідників і багатьох ін. ПП можна визначати і в проходящем, і у відбитому світлі, т.к. інтенсивность і поляризація світла при віддзеркаленні світла залежать від k l