Поглощение света и люминесценция

Лекция 11.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Для описания оптического излучения используются следующие понятия, величины и определения. Во-первых, монохроматическим называется излучение, лежащее в очень узком диапазоне частот (волновых чисел) от n до n+dn или длин волн от l до l+dl. При прохождении через вещество излучение с разными длинами волн преломляется под разными углами, поэтому его легко можно разложить на монохроматические составляющие. Для этого используют спектральные приборы: монохроматоры и спектрографы. Изображение входной щели спектрального прибора при освещении монохроматическим излучением называется спектральной линией. В настоящее время под спектральной линией понимается именно монохроматическое излучение. Наиболее часто применяемой характеристикой монохроматической волны является ее длина l, которая измеряется в микрометрах, нанометрах и в ангстремах (1= 10^-10 м), и волновое число n=1/l, измеряемое в обратных сантиметрах. Используются также энергия фотона hn, которая измеряется обычно в электроновольтах (1эВ=1,6×10^-19 Дж), частота n или циклическая частота w =2pn, измеряемые в герцах, и период колебания Т=2p/w, измеряемый в секундах.  Напомню, что все эти величины выражаются друг через друга.

Энергия, переносимая оптическим излучением, называется лучистой W. Лучистую энергию, переносимую в единицу времени  называют лучистым или энергетическим потоком. Лучистый поток, отнесенный к единице площади , называют плотностью или интенсивностью излучения. Отношение энергетического потока к телесному углу, в который он излучается , называется силой излучения. Если источник излучает равномерно во все стороны, то угол W=4p. Энергетической яркостью или лучистостью излучателя называют величину  - силу излучения с единицы площади излучателя S в направлении, составляющим угол a к нормали этой площадки.

Энергетический поток и, следовательно, все связанные с ним параметры характеризуются функцией распределения энергии по длинам волн (частоте) F_l (F_n), так что полный энергетический поток в интервале длин волн от l₁ до l₂ равен  или частот (волновых чисел) от n₁ до n₂ – .

Поглощение света. При прохождении оптического излучения сквозь любое вещество часть его поглощается этим веществом. Для монохроматического энергетического потока поглощение описывается законом Бугера, который в интегральной форме имеет вид

,                       (1)

где  и - энергетические потоки монохроматического излучения в интервале частот (волновых чисел) от n до n+dn, соответственно, падающий на вещество и прошедший сквозь него, l – длина столба поглощающего вещества, r(n) – спектральная плотность излучения, c – скорость света, dS_n – элементарная площадка вещества, нормальная направлению энергетического потока, c(n) – коэффициент поглощения. Именно зависимость коэффициента поглощения от частоты падающего излучения (длины волны) называется спектром поглощения вещества.

В более общем случае ослабление энергетического потока средой описывается законом Бугера-Ламберта, в котором вместо коэффициента поглощения c(n) (1) стоит показатель ослабления (коэффициент экстинкции) , где a(n) – коэффициент рассеяния излучения средой. Зависимость коэффициента экстинкции от частоты (длины волны) излучения называется спектром пропускания. Этот спектр не тождественен спектру поглощения, так как в нем учитывается рассеяние света средой.

Излучение света. С термодинамической точки зрения излучение подразделяют на тепловое излучение и люминесценцию. Тепловое излучение – это излучение нагретых веществ, находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой и самим излучением. Для теплового излучения F_l с точностью до коэффициента A_l,T совпадает с формулой Планка для лучеиспускательной способности абсолютно черного тела

.                   (2)

Здесь T – абсолютная температура излучающего тела в кельвинах. Коэффициент  называется поглощательной способностью излучающего тела. Он показывает, какая доля плотности падающего на тело излучения dI поглощается самим телом dI_a в интервале длин волн от l до l+dl. Это безразмерная величина. Она зависит помимо длины волны излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности. Если A_l,T=1, то тело называется абсолютно черным. Реальные тела не являются абсолютно черными. В том случае, когда коэффициент A_l,T не зависит от длины волны, тело называют серым.

Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное над тепловым при той же температуре и имеющее длительность t_lum ³10^-10 с, значительно превышающую периоды электромагнитных волн T=1/n »10^-14 с. Первая половина определения, данная еще Аристотелем, отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения, а вторая – от всех других процессов излучения и переизлучения, в которых излучение не задерживается в веществе. К таким процессам относятся различные виды рассеяния света, например, комбинационное рассеяние, преломление и отражение света. К ним относятся также вынужденное и тормозное излучение, синхротронное излучение, излучение Вавилова-Черенкова, т.е. процессы, не связанные с переходом излучающих центров из одного стационарного состояния в другое, и протекающие за время, соизмеримое со временем световых колебаний.