Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОГЛОЩЕНИЕ

ПОГЛОЩЕНИЕ

СВЕТА - уменьшениеинтенсивности оптич. излучения при прохождении через к.-л. среду за счётвзаимодействия с ней, в результате к-рого световая энергия переходит вдр. виды энергии или в оптич. излучение др. спектрального состава. Осн. <законом П. с., связывающим интенсивность I пучка света, прошедшегослой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучка I₀,является закон Бугера Не зависящий от интенсивности света коэф.наз. показателем поглощения, причём как правило, различен для разных длин волн Этот закон был экспериментально установлен П. Бугером (P. Bouguer, 1729)и впоследствии теоретически выведен И. Ламбертом (J. Н. Lambert, 1760)при очень простых предположениях, что при прохождении любого слоя веществаинтенсивность светового потока уменьшается на определённую долю, зависящуютолько от и толщины слоя l, т. е. dI/l=Решением этого ур-ния и является Бугера - Ламберта - Бера закон. Физ. <смысл его состоит в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде, <характеризуемый не зависит от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света, <и от толщины поглощающего слоя l. Это справедливо при не слишкомбольших интенсивностях излучения (см. ниже).

Зависимость от длины волны света называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолир. атомов(напр., разреженные газы) имеет вид узких линий, т. е.отличен от нуля только в нек-рых узких диапазонах длин волн (сотые - тысячныедоли нм), соответствующих частотам собств. колебаний электронов внутриатомов. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в них, <состоит из существенно более широких областей длин волн (т. н. полосы поглощения, <десятые доли - сотни нм; см. Молекулярные спектры). Поглощение твёрдыхтел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячинм) с большим значением ; качественно это объясняется тем, что в конденснр. средах сильное взаимодействиемежду частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, <отданной светом одной из них.

Качеств. картина процессов взаимодействияизлучения с веществом, происходящих на атомном уровне и приводящих к П. <с., может быть получена в рамках квазиклассич. подхода. В основе его лежитмодель, рассматривающая атомы как совокупность гармонич. осцилляторов: электроны в атомах (молекулах) колеблются около положения равновесия. <Такая модель приемлема для разреженных газов и паров металлов, где можноне учитывать влияния соседних атомов. Для жидких и твёрдых тел такая модельнепригодна, т. к. поведение электронов, определяющих оптич. свойства атома, <резко меняется под действием полей соседних атомов.

Спонтанное испускание атомов осцилляторноймодели соответствует свободным (затухающим) колебаниям электронов. Собств. <частоты этих колебаний v_nm задаются 2-м постулатом Бора:где и - уровни энергии атома, между к-рыми совершается квантовый переход с испусканиемсвета на частоте v_nm.

При распространении в среде света, падающегона неё извне, колебания электронов в атомах носят вынужденный характери совершаются с частотой падающей световой волны. При таком подходе П. <с. связывается с потерями энергии волны на вынужденные колебания электронов.(Энергия, поглощённая атомом, может переизлучаться или переходить в др. <виды энергии.) Световое поле падающее на среду, вызывает колебания электронов, описываемые ур-нием

Здесь т₀ и е₀- масса и заряд электрона, х - его смещение от положения равновесия,- коэф., характеризующий затухание. Первый член в (1) описывает силу инерции, <второй -- тормозящую силу, пропорц. скорости колебат. движения электрона и обусловливающуюзатухание его колебаний (аналогичную силе трения), третий член - упругуюсилу, пропорц. смещению электрона от положения равновесия; правая частьур-ния (1) - вынуждающая сила. Решение этого ур-ния

при ненулевом есть величина комплексная, что и свидетельствует о поглощении энергии волныатомом. При комплексной связи вынуждающей силы и отклонения электрона комплекснымиоказываются, соответственно, и интегральные величины: диэлектрич. проницаемость ( - проводимость,- веществ, часть диэлектрич. проницаемости) и показатель преломления Мнимая часть величины прямо связана с характеристикой поглощающих свойств среды - показателемпоглощения :Величина являющаяся, как и ф-цией длины волны, наз. главным показателем поглощения. Введение комплексныхвеличин и позволилоприменить формальное описание, разработанное для прозрачных сред, и к поглощающимсредам. Именно с поглощением света связана аномальная дисперсия, к-раяимеет место внутри полосы поглощения (см. Дисперсия света).

При рассмотрении П. с. с квантовой точкизрения вводится такая характеристика энергетич. уровней, как населённостьуровня N_n,m - число атомов, находящихся в данном энергетич. <состоянии. В этом случае выражение для может быть представлено в виде

где разность населённостей уровней п и т N_m- (g_m/g_n)N_n (здесь g_m и g_n - статистич. веса заселённости уровней). Зависимость от разности частот - наз. <контуром линии поглощения. В рассмотренном классич. приближении шириналинии поглощения на уровне 0,5 от максимума Это т. н. естеств. ширина линии. В реальных средах имеется ряд причин, <увеличивающих ширину линии поглощения, иногда во много раз. Гл. причинойуширения линии поглощения в газах служит эффект Доплера, возникающий вследствиебеспорядочного движения атомов (см. Уширение спектральных линий).

При спец. условиях возбуждения возможнат. н. инверсная населённость, когда т. е. когда населённость верхнего уровня больше населённости нижнего. Вэтом случае, как видно из (2), меняет знак и показатель поглощения - среда характеризуется т. н. отрицательным поглощением. Свет, проходящийчерез такую среду, не ослабляется, а, наоборот, усиливается. Среды, в к-рыхвозможно создание (тем или иным способом) инверсной населённости уровней, <используются для создания лазеров и усилителей света.

Поскольку поглощение фотона приводит кпереводу атома с нижнего уровня на верхний, то процесс поглощения влияетна заселённость энергетич. уровней. При обычно наблюдаемых интенсивностяхсвета количество поглощаемых фотонов намного меньше числа поглощающих атомов, <поэтому не зависит от интенсивности света. Соответственно, не зависит от неё и Однако, если интенсивность падающего на среду света достаточно велика, <то в возбуждённое состояние может перейти значит. доля поглощающих атомов. <Это приведёт к тому, что и и будутзависеть от интенсивности света - возникнет т. н. нелинейное поглощение. <В этом случае закон Бугера перестаёт быть справедливым. В пределе, приочень высокой интенсивности падающего света, населённости верх. и ниж. <уровней выравниваются и среда перестаёт поглощать свет - просветляется, <т. е. свет проходит через такую среду, вообще не испытывая поглощения (см. Самоиндуцированнаяпрозрачности).

При очень высокой интенсивности светавозможна и ещё одна особенность П. с. - многофотонное поглощение, когдав одном акте одновременно поглощается несколько (i )фотонов меньшихчастот при условии

П. с. используется в разл. областях наукии техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствительные методы количеств. <и качеств. хим. анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, <спектрофотометрия, колориметрия. Вид спектра П. с. удаётся связатьс хим. структурой вещества, по виду спектра поглощения можно исследоватьхарактер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводникови мн. др.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5изд., М., 1976; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961;Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; КоролёвФ. А., Теоретическая оптика, М., 1966; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, <пер. с англ., 2 изд., М., 1973.

А. П. Гагарин.