Поглощение света

Как отмечалось выше, атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениям энергии Е₁ Е₂, Е₃,... Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е₁ и Е₂. Если атом находится в состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние. 2, приводящий к поглощению излучения.

Рис. 11

Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы. Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией hv₂₁ = Е₂ – Е₁). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атомов в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно. Таким образом, при прохождении света через вещество происходит поглощение, т.е. уменьшение интенсивности света, вследствие взаимодействия электромагнитных волн с электронами атомов и молекул вещества. Количественная зависимость поглощения света в прозрачной среде выражается законом Бугера

где J - интенсивность падающего света; J - интенсивность прошедшего света; d - толщина прозрачного вещества; а -коэффициент поглощения, зависящий от света, химической природы и состояния вещества.

Согласно закону (4.12) интенсивность света убывает в поглощающем веществе экспоненциально. При d= интенсивность оказывается в е раз меньше чем J₀. Таким образом, коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в е раз. Коэффициент поглощения зависит от длины волны света (или частоты ), поэтому поглощение имеет селективный характер: энергии волн с разными частотами поглощаются в данном веществе по-разному. Этим обуславливается окраска предметов. Прозрачные тела кажутся окрашенными в тот цвет, который менее поглощается. Так красное стекло пропускает свой свет той частоты, который воспринимается глазом как красные лучи. Волны с другими частотами при этом поглощаются. Если на красное стекло направить монохроматическую волну синего или зеленого цвета, то стекло' окажется черным, так как поглотиться вся энергия этой волны. Все это имеет место, когда оптические характеристики вещества не зависят от интенсивности света, то есть в линейной оптике.