Поглощение света. Коэффициент поглощения

Р А З Д Е Л  9

Поглощение света - это оптическое явление, обусловленное ослаблением светового потока при прохождении через вещество вследствие трансформации части световой энергии в другие виды (чаще всего в тепло).

Если на вещество падает параллельный пучок света (плоская волна) интенсивности I_o, то нетрудно определить зависимость I=I(x), где х - путь, пройденный светом в веществе (рис. 9.1). Поскольку, как показывает опыт, для большинства источников света ослабление излучения пропорционально толщине слоя и интенсивности падающего света I, то dI = -aIdx и . Проинтегрируем последнее выражение и найдем связь между I и х.:

.

(9.1)

Выражение (9.1) носит название закона Бугера, а a - коэффициент поглощения, зависящий в общем случае от длины волны или частоты света. Физический смысл a определяется из анализа комплексного показателя преломления n¢=n(1-ic). Амплитуда прошедшей световой волны через поглощающую среду задается формулой (8.29) . Тогда интенсивность прошедшего света, пропорциональная квадрату амплитуды, выразится

,

(9.2)

где . Таким образом, коэффициент поглощения a связан с показателем поглощения и характеризует степень ослабления света по мере прохождения через поглощающую среду.

Общая закономерность поглощения определяется экспоненциальным законом в соответствии с формулой (9.1) (рис. 9.2).

Физический смысл a заключается в том, что он численно равен величине, обратной толщине слоя, при прохождении которого свет ослабляется в е раз. Коэффициент поглощения a в системе СИ выражается в м^-1.

Поскольку коэффициент поглощения зависит от длины волны (от частоты), то такая зависимость является индивидуальной характеристикой любого вещества и носит название спектра поглощения (a=a(l)). Для разреженных газов, паров металлов и ионов спектр поглощения представляет собой отдельные линии поглощения, характеризующие собственные частоты колебаний частиц вещества. Молекулы имеют более сложный спектр поглощения, состоящий как из совокупности отдельных линий и полос (простые молекулы), так и  широких полос поглощения (сложные молекулярные структуры), перекрывающих большие спектральные интервалы излучения (рис. 9.3).

Опыт показывает, что для газов, паров и разбавленных растворов коэффициент поглощения пропорционален концентрации частиц С. Другими словами, коэффициент поглощения a есть

a = АС,

(9.3)

и закон Бугера приобретает вид

I = Ioe-AСx ,

(9.4)

где А - коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для данного сорта молекул.

Утверждение, что А не зависит от концентрации, носит название закона Бера (1852). Его физический смысл заключается в том, что поглощающая способность молекулы не зависит от влияния окружающих молекул. Это условие выполняется лишь при небольших концентрациях частиц.

Физические процессы, приводящие к поглощению, можно свести к нескольким причинам:

1. Энергия падающей волны идет на излучение вторичных волн. Излучение вторичных волн является причиной рассеяния энергии падающей волны. Причем затухание будет тем больше, чем больше интенсивность излучения, т. е. чем больше амплитуда вынужденных колебаний, достигающая наибольшего значения при w®w_о. Максимальное поглощение соответствует той частоте w, которая совпадает с частотой собственных колебаний.

2. При соударении атомов колебательная энергия может переходить в энергию поступательного движения столкнувшихся атомов, т.е. в тепло. Этот процесс поглощает особенно много энергии в том случае, когда в системе возбуждены колебания с частотой w=w_о.