Поглощение света
Согласно представлениям классической электронной теории, переменное электромагнитное поле световой волны в диэлектрической среде вызывает вынужденные колебания связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Поэтому каждую молекулу можно рассматривать как совокупность электрических диполей с различными частотами собственных колебаний. Поскольку протоны значительно массивнее электронов, они совершают вынужденные колебания только под действием низкочастотного (инфракрасного) излучения. В области частот видимого и ультрафиолетового света определяющую роль играют колебания внешних (валентных) электронов; именно поэтому они называются оптическими электронами.
В процессе вынужденных колебаний электронов с частотой падающего на вещество света с такой же частотой изменяются дипольные моменты атомов и молекул. Соответственно такую же частоту имеет и вторичное излучение, испускаемое веществом. Поскольку средние расстояния между его атомами и молекулами значительно меньше длины когерентности света, вторичные волны, излучаемые большим количеством соседних частиц, когерентны между собой и с падающей (первичной) волной. В однородном изотропном веществе в результате интерференции первичной и вторичных волн образуется проходящая волна; направление ее распространения совпадает с направлением первичной волны, а фазовая скорость зависит от частоты. В оптически неоднородной среде суперпозиция первичной и вторичных волн приводит к возникновению световых пучков, распространяющихся под различными углами относительно направления падающей волны (рассеяние света). Если первичная волна падает на поверхность раздела двух различных сред, то в результате интерференции первичной и вторичных волн возникает не только проходящая (преломленная), но и отраженная волна. В рамках таких представлений получается, что отражение света происходит не от геометрической границы раздела сред, но от тонкого слоя молекул, прилегающих к этой границе. Этот вывод подтверждается исследованиями явления полного внутреннего отражения: оно заключается в том, что при выполнении условия преломленная волна уже не попадает во вторую (преломляющую) среду. Теоретический анализ этого явления, выполненный в 1908 г. Эйхенвальдом, показал, что при полном внутреннем отражении электромагнитное поле световой волны не обрывается на границе раздела, но частично проникает во вторую среду; глубина проникновения соизмерима с длиной световой волны. Выводы Эйхенвальда получили подтверждение в опытах Л.И. Мандельштама и П. Зелени, которые в качестве преломляющей среды использовали вещество, способное флуоресцировать под действием света. В случае, когда угол падения был больше предельного, они действительно наблюдали свечение тонкого слоя преломляющего вещества, прилегающего к границе раздела.
Опыт показывает, что лишь часть энергии падающего на вещество света преобразуется в энергию вторичного электромагнитного излучения. Явление уменьшения интенсивности световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию вещества, называется поглощением света. Некоторая часть энергии вынужденных колебаний электронов превращается в энергию тепловых колебаний атомов и молекул, что приводит к нагреванию вещества. Помимо нагревания, поглощение света может быть обусловлено ионизацией молекул, инициированием фотохимических реакций и другими процессами, не связанными со вторичным излучением. Опытным путем установлено, что интенсивность параллельного пучка света убывает по закону Бугера-Ламберта:
.
Здесь и – интенсивность света на входе в поглощающий слой и на глубине , – коэффициент поглощения, зависящий от свойств вещества и частоты света. Можно показать, что коэффициент поглощения численно равен глубине слоя, в котором интенсивность уменьшается в раз.
Зависимость коэффициента поглощения от частоты света называется спектром поглощения вещества; вид спектра в значительной степени зависит от агрегатного состояния вещества и его электропроводности. Диэлектрики поглощают свет селективно; это означает, что поглощение значительно лишь в области частот, близких к частотам собственных колебаний электронов атомов и молекул вещества. Это явление называется резонансным поглощением; особенно отчетливо оно наблюдается у разреженных одноатомных газов, например – у паров металлов. Спектр поглощения таких веществ называется линейчатым; частоты линий спектра поглощения совпадают с частотами спектра испускания. У газов многоатомных молекул наблюдаются системы близко расположенных линий, образующих полосы поглощения; структура полос определяется химическим составом и строением молекул. Жидкие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения, состоящие из широких полос. Такой вид спектра поглощения конденсированных сред обусловлен сильным взаимодействием между частицами вещества, приводящим к появлению множества дополнительных частот колебаний электронов.
При очень большой интенсивности падающего на вещество света возможны отклонения от закона Бугера-Ламберта. Явления такого рода впервые наблюдали в 1926 г. российские физики С. Вавилов и Л. Левшин. Результаты их экспериментов показывают, что коэффициент поглощения света уменьшается с ростом его интенсивности. Это явление объясняется уже в рамках квантовых представлений тем, что при больших интенсивностях световой волны значительная часть атомов и молекул вещества переходит из основного в возбужденное состояние, пребывая в нем определенное время. Поэтому доля частиц вещества, участвующих в поглощении света, уменьшается, что и приводит к уменьшению коэффициента поглощения.
До сих пор речь шла о поглощении света диэлектрическими средами. Спектр поглощения металлов, как и прочих веществ, зависит от их агрегатного состояния. Поскольку в газообразном состоянии металлы представляют собой хорошие диэлектрики, их спектр поглощения состоит из узких спектральных линий. В конденсированном состоянии металлы обладают огромным количеством свободных электронов и поэтому являются хорошими проводниками тока. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны вовлекаются в вынужденные колебания и излучают вторичные электромагнитные волны. В результате суперпозиции первичной и вторичных волн образуется интенсивная отраженная волна и сравнительно слабая волна, проникающая в металл. Коэффициент отражения может достигать 0,95 и более; он зависит от удельной проводимости металла, частоты света и чистоты поверхности металла. Преломленная волна очень быстро поглощается в металле; ее энергия превращается в джоулеву теплоту.
В области частот инфракрасного и видимого света оптические свойства металлов определяются в основном свободными электронами. В области частот ультрафиолетового и особенно рентгеновского излучения заметную роль играют связанные электроны, находящиеся во внутренних оболочках атомов. Это приводит к уменьшению коэффициента отражения и заметной зависимости его от частоты. Например, коэффициент отражения от чистой поверхности серебра уменьшается от 0,95 на длине волны 700 нм до 0,042 для нм; соответственно возрастает и прозрачность тонкой пленки серебра.
