Взаимодействие света с веществом

Отражение света

Отражение света металлами. Металлы отличаются сильной отражательной и поглощательной способностью. Заметное пропускание света можно обнаружить только у очень тонкой металлической пленки, толщина которых не превышает много длину световой волны и при этом наблюдается значительная селективность, например, тонкий лист золота при прохождении белого света кажется зеленым, серебра – фиолетовым. Коэффициент отражения света металлами сильно зависит от состояния поверхности металла: коррозия значительно снижает коэффиөиент отраңения. Отражение от металлов также проявляет селективность, например, серебро имеет малую отражательную способность в фиолетовой области лучей и становится относительно большей в остальной видимой области. В отличие от границы раздела двух диэлектриков, при отражении от поверхности металлов никогда не достигается полная поляризация отраженногосвета. При отражении от металлической поверхности между колебаниями, парпаллельными и перпендикулярными плоскости падения, возникает определенная разность фаз. Поэтому линейно поляризованный свет при отражении от металла становится эллиптически поляризованным.

Поглощение света

Световой поток –это поток электромагнитной энергии. При прохождении через прозрачное вещество ссветовой поток уменьшается вследствие преобразования ее энергии во внутреннюю энергию вещества и вещество нагревается. Механизм поглощения света состоит в следующем. Электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания упруго связанных электронов в атоме, вызывая, тем самым, появление переменного дипольного момента, колеблющегося с частотой падающей электромагнитной волны. Периодически колеблющиеся диполи излучают вторичные элнектромагнитные волны той же частоты.Вторичные волны, в свою очередь,распространяясь в направлении падающего светового потока, возбуждают другие атомы и заставляют их вновь переизлучать световую волну. В реальном веществе не вся энергия, поглощенная колеблющимися диполями, излучается обратно, часть ее переходит в другие виды энергии, главным образом, в тепловую.

    Выделим в веществе тонкий слой dx перпендикулярно к направлению распространения светового потока и обозначим уменьшение интенсивности светового потока через dI. Естественно, это уменьшение считать пропорциональным интенсивности светового потока в данном слое. Тогда можно записать уравнение

,

 

где k – коэффициент поглощения, определяемый свойствами вещества. Интегрирование этого уравнения приводит к экспоненциальной зависимости интенсивности светового потока от пути, пройденного световой волной

 

,                                           (20)

 

где I ₀– интенсивность падающего светового потока. Коэффициент поглощения имеет размерность обратной длины. Формула (20) называется законом Бугера – Ламберта. Для различных веществ коэффициент поглощения колеблется в широких пределах. Для всех веществ коэффициент поглощения в той или иной степени зависит от длины волны. В металлах коэффициент поглощения доходит до десятков тысяч.

    При поглощении света веществами, растворенными в практически непоглощающем растворителе (например, вода), коэффициент поглощения оказывается пропорциональным концентрации растворенного вещества

,

где χ – новый постоянный коэффициент, не зависящий от концентрации раствора. Тогда для растворов формула (20) примет вид

.                                         (21)

Утверждение, что коэффициент χ не зависит от концентрации раствора, называется законом Беера. Этот закон выполняется только при малых концентрациях раствора, пока можно пренебречь взаимным влиянием растворенных молекул друг на друга и он позволяет определять концентрацию раствора по степени поглощения света. При больших концентрациях это условие нарушается, закон Беера перестает выполняться.

 

Рассеяние света

    Рассеяние света – это явление преобразования веществом направленного светового потока в световой поток, распространяющийся во всевозможных направлениях, вызванный взваимодействием падающего светового потока с частицами рассеивающего вешества. Рассеяние света имеет место в неоднородных средах, содержащих взвешенные частицы тех или иных размеров. Среды, содержащие взвешенные частицы, называют мутными средами. По Мандельштаму (1907) в мутных средах показатель преломления среды изменяется нерегулярно – от точки к точке. К мутным средам относятся аэрозоли (дым, туман), эмульсии, коллоидные растворы, матовые стекла, суспензии и т.д. Характер рассеяния зависит от размеров частиц, а именно от соотношения размеров частиц r к длине волны падающего света l и от природы рассеивающего вещества. В зависимости от соотношения r/l следует три различных вида рассеяния. Для больших частиц при r>>l наблюдается чисто геометрическое рассеяние. Падающий на разные участки поверхности частицы свет отражается от нихпод разными углами. Такое рассеяние можно назвать диффузным рассеянием. При диффузном рассеянии спектральный состав рассеянного света совпадает со спектральным составом падающего света. Этим объясняется белый цвет облаков и снега.

Для частиц, размеры которых сравнимы с длиной световой волны r ≈ l, основным механизмом рассеяния становится дифракционное рассеяние. При дифракционном рассеянии интенсивность рассеяния сильно возрастает.

Рассеяние света в мутных средах с частицами, размеры которых значительно меньше длины световой волны r<<l называется эффектом Тиндаля. Теория такого рассеяния была развита Релеем.  Релей показал, что интенсивность рассеяния света частицами, размеры которых много меньше длины световой волны, пропорциональна четвертой степени частоты световой волны, или обратно пропорционально четвертой степени длины волны . При прохождении белого света через такую мутную среду, сбоку становится видимым путь прохождения пучка.Это явление можно наблюдать, пропуская белый свет через раствор молока в воде (роль мельчайших капелек играют капельки жира, взвешенные в воде). При этом рассеянный свет кажется бледно-голубым, проходящий – красноватым из-за большей степени рассеяния лучей короткой длины волны.

Рассеяние света наблюдается также в совершенно чистых веществах. Оно называется молекулярным рассеянием и обусловлено, как показал Смолуховский, флуктуациями плотности вещества, возникающими при хаотическом движении молекул. Эйнштейн, опираясь на идеи Смолуховского, создал теорию молекулярного рассеяния и показал, что размеры флуктуаций плотности меньше длины волнвидимого света. Теория Эйнштейна привела к таким же результатам в отношении зависимости интенсивности рассеяния света от длины волны, что и теория Релея.

Молекулярным рассеянием в атмосфере объясняется голубой цвет неба и красно-оранжевый цвет восхода и заката.

Наиболее значительные флуктуации плотности возникают в газах вблизи критического состояния.Наступает явление критической опалесценции – газ становится непрозрачным из-за обширных областей флуктуаций плотности. Такое же явление наблюдается в некоторых растворах при критической температуре смешения.

 

Дисперсия света

    Электромагнитные волны любой частоты распространяются в вакууме с одной и той же скоростью с. Это относится и к видимому свету всех частот. Волнам каждой частоты в вакууме соответствует определенная длина волны

.

В прозрачной средескорость распространения света меньше, чем в вакууме. В соответствии с формулой  показатель преломления среды тоже будет зависеть от частоты или длины волны.

.                       (22)

Зависимость показателя преломления среды от частоты (или длины волны) падающего света называется дисперсией света. Преломленный свет сохраняет ту же частоту колебаний, что и падающий, но изменяет свою скорость, показатель преломления n и длину волны l в зависимости от свойств среды. Совокупность монохроматических волн различной частоты в вакууме распространяется с одной и той же скоростью с, попадая в среду, волны начнут распространяться с различными скоростями, по-разному преломляться и разойдутся в разных направлениях, будут диспергировать.

    Опытное исследование дисперсии впервые осуществил Ньютон (1666г.), пропустив свет сквозь трехгранную призму и получив сплошной спектр – полосуиз непрерывно меняющихся цветов радуги от красного до фиолетового. Красные лучи отклоняются призмой на малый угол, фиолетовые на большой угол (рис. 23).

                          

Рис.23

 

Для всех бесцветных прозрачных веществ функция (22) в видимой части спектра имеет вид, показанный на рис.24

Рис. 24

 С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается с возрастающей скоростью. Величина , называемая дисперсией вещества, тоже возрастает с увеличивающейся скоростью. Такой характер зависимости дисперсии называется нормальной дисперсией.

Показателя преломления при нормальной дисперсии приближенно может быть описано следующей зависимостью

,

Где а, b,с – постоянные. В большинстве случаев можно ограничиться зависимостью

.

В этом случае дисперсия выразится в виде 

.

Наряду с участками нормальной дисперсии могут появляться участки аномальной дисперсии, при которых с уменьшением длины волны показатель преломления уменьшается, дисперсия вещества становится положительной >0 (рис.25). Участки аномальной дисперсии

Рис.25

наблюдаются вблизи резонанса, когда частота колебаний падающей световой волны приближается к одной из собственных частот электронов в атоме, при этом амплитуда колебаний сильно возрастает и происходит интенсивное поглощение энергии падающего света.