6.7 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
6.7.1 Поглощение света
При прохождении электромагнитной волны через вещество часть энергии волны тратится на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, возбуждаемых электронами; частично она переходит в другие виды энергии. Вынужденные колебания электронов становятся особенно интенсивными при резонансной частоте, что приводит к резкому возрастанию поглощения света. Изменение интенсивности света dI на пути dl пропорционально dI и dl.
,
где -коэффициент поглощения.
(169)
Мы получили закон Бугера: интенсивность света убывает в поглощающей среде экспоненциально. При l = 1/ интенсивность I в е раз меньше, чем I0.
Если атомы и молекулы вещества практически не воздействуют друг на друга, то коэффициент поглощения такого вещества для большинства длин волн близок к нулю и лишь для очень узких спектральных областей обнаруживает резкие максимумы. Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний внутри атомов.
Твердые тела, жидкости и газы при высоких давлениях дают широкие полосы поглощения. Этот факт говорит о том, что расширение полос поглощения является результатом взаимодействия атомов друг с другом.
Металлы практически непроницаемы для света ( 10 000см-1). Это обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение. В результате в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла, энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла.
6.7.2 Рассеяние света
Рассеяние света – дифракция на мелких неоднородностях среды приводящая к довольно равномерному распределению интенсивности по всем направлениям. Среды с ярко выраженной неоднородностью носят название мутных сред.
Процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны, становятся источниками вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях. В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. В направлении первичного луча вторичные волны, интерферируя с первичной проходящей волной, образуют результирующую волну с фазовой скоростью отличной от с.
В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае однородного поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражение I = I0el наряду с коэффициентом линейного поглощения должен стоять добавочный коэффициент ’, обусловленный рассеянием.
, (170)
где ’ – коэффициент экстинкции.
Х
арактер
рассеяния зависит от размеров и природы
неоднородностей. Если их размеры больше
длины волны, то наблюдается чисто
геометрическое рассеяние. Это касается,
прежде всего, твердых частиц, взвешенных
в воздухе. Падающий на разные участки
поверхности частицы солнечный свет
отражается под различными углами. Если
при этом спектральный состав света
не меняется, то рассеянный свет остается
белым (примером этого может служить
белый цвет неба в пустынях, когда
восходящие воздушные потоки переносят
в верхние слои атмосферы мелкие частицы
песка). В целом наблюдаемая картина
рассеяния очень чувствительна к размерам
и форме неоднородностей (радуга и гало
вокруг солнца, вызванные наличием в
земной атмосфере соответственно капелек
и льдинок).
Если размеры неоднородностей существенно меньше длин волн света, то интенсивность рассеянного света удовлетворяет закону Рэлея:
(171)
где - частота падающего света, причем интенсивность рассеянного света различна по разным направлениям (т.е анизотропна). Эта формула справедлива, если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны (d 0,1 ). Сильная зависимость интенсивности рассеянного света от частоты означает, что существенно сильнее рассеиваются волны с большей частотой. В частности, если через среду идет волна от источника белого света (от Солнца - см. рисунок 50),то при наблюдении сбоку среда кажется голубоватой, а сам источник на просвет выглядит более красным. Этим объясняется голубой цвет неба и красный цвет зари. Разные цветовые оттенки получаются из-за разных геометрических расположений источника и наблюдателя. Так в глаз наблюдателя 1 (см. рис.50) приходит прямой луч, тогда как наблюдатель 2 видит, в основном, рассеянные лучи. Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны , то
(172)
Даже тщательно очищенные жидкости и газы рассеивают свет. Причиной рассеяния является появление оптических неоднородностей за счет флуктуаций плотности. Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества, поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным. Его детально исследовали Л. Мандельштам и М. Смолуховский.