Взаимодействие света с веществом

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. 6.1а). 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. 6.1б приведен спектр поглощения для разреженного газа, паров металлов при не высоком давлении. На рис. 6.1в 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. 6.2а).

Если построить по результатам эксперимента график зависимости показателя преломления nот ω, то получим приведенную на рис. 6.2б 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.