Взаимодействие света с веществом. Понимание многих явлений взаимодействия ЭМВ с веществом возможно в рамках классической электронной теории

Понимание многих явлений взаимодействия ЭМВ с веществом возможно в рамках классической электронной теории. Согласно этой теории внутри атомов находятся электроны, которые могут совершать затухающие колебания около своих положений равновесия. Для каждого атома существуют собственные частоты ω_0к колебаний электронов.

Поглощение света. Под поглощением понимают процесс уменьшения интенсивности света, связанный с переходом энергии волны во внутреннюю энергию вещества (вещество нагревается, ионизируются и возбуждаются атомы и молекулы и т. д.).

Световая волна возбуждает в веществе вынужденные колебания электронов внутри атомов. Эти вынужденные колебания приводят к возникновению вторичных волн, которые частично возвращают энергию первичному потоку, а часть энергии превращается во внутреннюю энергию вещества.

Поглощающие свойства вещества зависят от частоты (длины волны) движущегося в веществе света. Действительно, наибольшая энергия затрачивается волной на раскачку электронов при совпадении частоты падающей волны ω с собственными частотами колебаний электронов в атомах (ω = ω _0к). В этих случаях амплитуда колебаний электронов будет максимальной, максимальным будет и поглощение света.

Найдем зависимость интенсивности I проходящей через вещество волны от расстояния х.

Пусть плоская световая волна интенсивности I падает нормально на поверхность пластинки толщиной dx (рис. 6.1 а). На выходе из нее, за счет поглощения, уменьшится и станет равной (I - dI). Причем dI будет пропорциональной I, dx, и поэтому можно записать следующее равенство:

dI = - αIdx, где α – коэффициент поглощения.

Интегрируя это выражение, получим закон Бугера – Ламберта:

На рис. 6.1 б приведен спектр поглощения для разреженного газа, паров металлов при не высоком давлении. На рис. 6.1 в приведен спектр разреженного газа с многоатомными молекулами. Он представляет собой набор полос поглощения (систем близко расположенных линий), обусловленных строениями молекул, колебательными и вращательными движениями внутри молекул. Жидкие и твердые диэлектрики характеризуются широкими полосами поглощения, связанными с сильным взаимодействием между молекулами и атомами, что приводит к появлению дополнительных резонансных частот поглощения (рис. 6.1г).

Наличие большого количества свободных электронов в металлах приводит к большим коэффициентам отражения падающего излучения. За счет возникновения токов проводимости вблизи поверхности металла преломленная волна быстро поглощается металлом.

Дисперсия света. Дисперсия света обусловлена зависимостью фазовой скорости ЭМВ в среде от ее частоты или длины волны. В оптике эта зависимость сводится к зависимости показателя преломления вещества от длины волны (частоты):

Наглядно явление дисперсии света можно наблюдать при прохождении светом призмы из прозрачного материала. При этом разные длины волн видимого диапазона имеют разные показатели преломления, что приводит к разложению белого света в спектр (рис. 6.2 а).

Если построить по результатам эксперимента график зависимости показателя преломления n от ω, то получим приведенную на рис. 6.2 б кривую. Из графика видно, что вдали от собственных частот колебаний электронов в атоме dn / dω > 0. Т.е. с ростом ω n увеличивается, что соответствует нормальной дисперсии. Вблизи собственных частот колебаний электронов в атоме происходит сильное поглощение света веществом. Для этого диапазона частот наблюдается аномальная дисперсия (dn / dω < 0).

Рассеяние света. Под рассеянием понимают перераспределение по всем направлениям интенсивности проходящего через среду света, обусловленное дифракцией вторичных волн на неоднородностях среды. Под неоднородностями среды понимают наличие в ней областей (частиц), размещенных внутри неё хаотично и в которых показатель преломления существенно отличается от показателя преломления среды.

Примером неоднородных сред с явно выраженной оптической неоднородностью являются мутные среды. К ним относятся: аэрозоли – это дым, туман; эмульсии – взвеси в жидкостях мелких капелек другой жидкости; суспензии – взвеси в жидкостях частиц твердого вещества.