Оптические свойства материалов. Температурная зависимость поглощательной способности металла. Окраска кристаллов, страница 2

Под поглощением света понимают явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе. В результате поглощения происходит преобразование энергии света во внутреннюю энергию вещества или энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав. 

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера-Ламберта

                                                                 (10.14)

где  Z – глубина распространения светового излучения; χ₀ – линейный коэффициент поглощения (показатель поглощения)

Показатель поглощения вещества χ₀ характеризует толщину поверхностного слоя,  после прохождения  которого интенсивность света уменьшается в е = 2,718 (е - основание натурального логарифма) раз. Значение показателя поглощения зависит от частоты (длины волны) света, химической природы и состояния вещества. Связь χ₀  с комплексным показателем преломления поглощающего вещества имеет вид

                                                                      (10.15)

где  λ- длина волны в вакууме; ξ_* = (ε_* - 1) – комплексная диэлектрическая восприимчивость;   ε_* - комплексная диэлектрическая проницаемость.

Рис. 10.1. Изменение показателя преломления от частоты света.

Комплексность диэлектрической проницаемости обусловлена тем, что в поглощающей среде вектор поляризации и напряженности электрического поля колеблются со сдвигом по фазе, в то время как в непоглощающей среде этот сдвиг равен нулю, и комплексность не проявляется.

На рис. 10.1  можно выделить 4 зоны, характеризующие поведение вещества в различных диапазонах спектра. До точки А располагается область прозрачности, между точками А и В лежит диапазон поглощения, далее между точками В и С находится область металлического отражения, которая после точки С опять переходит в зону прозрачности.

В классической электродинамике задачи отражения и преломления электромагнитной волны на поверхности твердого тела сводятся к нахождению решения уравнений Максвелла. Оптические свойства металла характеризуются в этом случае комплексным абсолютным показателем преломления n_*, связанным с электрическими константами материала

                                                                             (10.15)

где ε - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость металла; γ – электропроводность металла; ω – частота световой волны.

В случае идеального проводника , т.к. , то R = 1. Следовательно, вся энергия электромагнитной волны отражается от поверхности.

10.2.  Оптические свойства металлов

Особенности отражения света от металлических поверхностей обусловлены наличием в металлах большого числа свободных электронов (электронного газа). Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% и более от интенсивности падающего света. Так как плотность свободных электронов  высока, то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света и являются, как правило, практически непрозрачными. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение. Свободные электроны, приходя в колебательное движение под действием световой волны, взаимодействуют с ионами металла, в результате чего энергия поглощенной электромагнитной волны превращается в тепло. Поглощенная световая волна быстро затухает внутри металла, поэтому в процессе поглощения участвует очень тонкий поверхностный слой.

В идеальном проводнике, где потери на джоулево тепло вообще отсутствуют, поглощение равно нулю, т.е. падающий световой луч полностью отражается. Этим можно объяснить наличие металлического блеска чистой поверхности металла, зеркальность которой тем выше, чем больше его электропроводность.

С повышением частоты световой волны, т.е. при переходе от инфракрасного и красной области спектра к видимой и ультрафиолетовой  заметную роль начинают играть связанные электроны, которые характеризуются собственной частотой, лежащей в области более коротких волн. Поглощательная способность металла в зоне коротких длин волн существенно повышается. Так, серебро, которое в видимой области спектра  характеризуется высоким коэффициентом отражения и заметными поглощением, в ультрафиолетовой области обладает низкой отражательной способностью и большой прозрачностью. При длине волны светового излучения λ = 316 нм отражательная способность серебра падает до 4,2%, что соответствует отражению стекла.