Поглощение света

При прохождении световой волны через вещество, некоторая доля энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых электронами, частично переходит в тепло, т.е. движение атомов. Таким образом, интенсивность света уменьшается – свет поглощается.

Если - интенсивность света, падающего на поверхность прозрачного слоя толщиной l, а I - интенсивность света, вышедшего из вещества, то уменьшение интенсивности в слое

,

где α – коэффициент поглощения, определяемый свойствами среды и не зависящий от интенсивности света; а знак “-“ показывает, что с увеличением толщины поглощающего слоя, интенсивность прошедшего света уменьшается.

,

- закон Бугера (4.7)

При интенсивность . Таким образом, численное значение α показывает, что при толщине слоя интенсивность волны падает в 2,72 раза.

В ещества в парообразном состоянии поглощают свет только в тех областях, в которых частота падающей волны будет равна собственной частоте колебаний электронов внутри атомов (атомы не взаимодействуют друг с другом). В результате образуется линейчатый спектр поглощения.

В твердых телах, жидкостях и газах при высоких давлениях атомы не изолированы, они взаимодействуют друг с другом, поэтому полосы поглощения расширяются и сливаются в сплошной спектр. Резонансные частоты уже почти не разделены интервалами.

Для металлов , что обусловлено наличием у них свободных электронов. Электроны колеблются под действием поля волны, образуя быстропеременные токи. В итоге энергия света переходит в джоулево тепло и наблюдается полное поглощение света, поэтому металлы являются непрозрачными для света.

Зависимостью коэффициента поглощения от 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 этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

Рассеяние света

Рассеяние света следует из принципа Гюйгенса. Свет, проходя через среду, возбуждает колебания электронов в атомах, которые в свою очередь становятся источниками вторичных волн. Возникшие вторичные волны когерентны и гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны, поэтому в однородной прозрачной среде рассеяние света практически не наблюдается (однородность и когерентность вторичных волн – условие не рассеяния). Если среда содержит неоднородности (инородные частицы или флуктуации плотности среды), то дифракция света на неоднородностях приводит к его рассеянию.

Рассеянием света называют дифракцию на мелких неоднородностях.

При явной неоднородности среду называют мутной: дым - взвесь мельчайших твердых частиц; туман – взвеси в газах мельчайших капелек жидкости; эмульсия – взвесь мельчайших капелек одной жидкости в другой; матовые стекла – включения мелких частиц в твердой среде.

В результате рассеяния света интенсивность его в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае только поглощения.

, где - коэффициент экстинкции.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны, т.е. ~ , то интенсивность рассеянного света пропорциональна

(*)

Эта зависимость называется законом Рэлея (чем меньше длина волны λ, тем больше интенсивность рассеяния света). Рассеяние света наблюдается даже в прозрачной однородной жидкости, т.к. имеются флуктуации плотности, т.е. отклонения плотности в микрообъемах от ее среднего значения за счет хаотического движения молекул. Такое рассеяние света называют молекулярным.

Например, голубой цвет неба объясняется рассеянием синих и фиолетовых лучей на флуктуациях плотности воздуха в атмосфере. При этом голубые лучи согласно (*) рассеиваются сильнее, чем красные и желтые. Когда солнце находится низко, на закате, его лучи проходят большую толщу атмосферы, что приводит к их обогащению более длинными волнами, соответствующими красным тонам.