Поглощение и рассеивание света

I₀

рис

Рис.57. Изменение интенсивности света при его поглощении.

При прохождении света через вещество часть энергии световой волны поглощается, переходя во внутреннюю энергию вещества. Для оценки величины этих потерь рассмотрим световой поток, распространяющейся вдоль оси х (рис.57). 0пыт показывает, что при прохождении очень тонкого слоя вещества толщиной dx относительная убыль интенсивности, т.е. отношение изменения интенсивности d I в этом слое к интенсивности падающего света I (х) (см.рис.57), пропорциональна толщине слоя: При распространении в однородной среде.

где коэффициент a, зависящий от свойств вещества и λ, называется коэффициентом поглощения.

Знак минус отражает убывание интенсивности с ростом х. Изменение интенсивности света при прохождении слоя конечной толщины х находится путем прямого интегрирования вышеприведенной формулы

где: I₀ - на входе в вещество, I - на выходе из вещества

Потенцируя последнюю формулу, получим известный закон Бугера:

- закон Бугера-Ламберта-Бера

χ-удельный показатель поглощения света

D=lg(Ф₀/Ф₎=lg(1/τ) - оптическая плотность образца

где: Ф₀ - падающий поток излучений

Ф - ослабленный поток в результате поглощения

τ- Коэффициент пропускания

При прохождении света через вещество его интенсивность уменьшается. Обычное поглощение носит избирательный характер. Из потока белого света поглощаются только определении лучи, другие-отражаются, пропускаются или рассеиваются. Наблюдаемая расцветки тела - дополнительное к суммарной цветности лучей поглощенных телом. Например, желтый светофильтр поглощает в сине-зеленой и красной области, обычное стекло поглощает УФ и ИК. Выборочным поглощением объясняется парниковый эффект. Большая часть ИК - излучения излучаемая землей, поглощается пленкой и удерживается внутри парника. Слой озона (h=15-60 км) поглощает ультрафиолет. Ткани также поглощают УФ.

Для каждого вещества зависимость a =f(λ) выражается графиком, который представляет собой спектр поглощения. Газы и пара при высоких давлениях поглощают только в узких спектральных интервалах, и в их спектрах наблюдаются отдельные линии или группы линий поглощения. С ростом давления спектры газов усложняются, линии расширяются, сливаются друг с другом. Спектры жидкостей и твердых тел образуют широкие полосы поглощения. В спектре поглощение света кровью наблюдается полоса поглощения в области 620-640нм, связанная со степенью насыщенности крови кислородом. Для веществ, растворенных в прозрачных растворителях a = A c, где A - коэффициент пропорциональности постоянный в случае слабых растворов, и который зависит от рода молекул растворенного вещества, C - концентрация

Рассеяние света

С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных волн, распространяющихся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию. Соответствующий расчет показывает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому перераспределение света по направлениям, т. е. рассеяние света, отсутствует. В направлении первичного луча вторичные волны, интерферируя с первичной проходящей волной, образуют результирующую волну с фазовой скоростью, отличной от с. Этим, как мы видели в предыдущих параграфах, объясняются преломление и дисперсия света. Таким образом, рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света. Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу принадлежат:

1) дымы, т. е. взвеси мельчайших частиц в газах;

2) туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости;

3) взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками;

4) эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может служить молоко, представляющее собой взвесь капелек жира в воде);

5) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. д. В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны (не более ~ 0,1λ), интенсивность рассеянного света I оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины волны:

Эта зависимость носит название закона Рэлея. Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо частиц примесей (например, в чистых газах и жидкостях, истинных растворах). Оно называется молекулярным рассеянием света и обусловлено, как впервые предположил в 1908т. М. Смолуховский, флуктуациями плотности, возникающими в процессе хаотического теплового движения молекул среды. Дополнительными причинами возникновения оптической неоднородности в чистых средах с анизотропными (полярными) молекулами являются флуктуации ориентации молекул (флуктуации анизотропии), а в истинных растворах, кроме того, — флуктуации концентрации. А. Эйнштейн, основываясь на идее М. Смолуховского, создал в 1910 г. теорию молекулярного рассеяния света. Как показывают расчеты, размеры участков среды, соответствующих более или менее значительным флуктуациям, при обычных условиях значительно меньше длин волн видимого света. Поэтому теория Эйнштейна привела к тем же результатам в отношении зависимости интенсивности рассеянного света от λ, а также характера поляризации рассеянного света, что и теория Рэлея. Молекулярным рассеянием в атмосфере коротковолновой части видимого солнечного света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и закате прямой солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, должен 13 быть красно-оранжевым. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры. Этим объясняется более насыщенный цвет неба в ясный летний день по сравнению с таким же зимним днем.

Поляризация света

Поляризуемым светом называется свет, в котором направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом. В естественном свете колебания разных направлений быстро и хаотически сменяют друг друга. Принято, плоскость, в которой колеблется вектор E, называть плоскостью колебаний, а плоскость, в которой колеблется вектор H -плоскостью поляризации.