Поглощение света

Поглощением света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество вследствие преобразования энергии волны в другие формы (внутреннюю энергию вещества и в энергию вторичного излучения других направлений и спектрального состава).

Как отмечалось выше, атомы могут находиться лишь в кван­товых состояниях с дискретными значениями 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.

 

Е₂, 2

E = hν₁₂ поглощение E₂ – E₁ = hν₂₁

Е₁, 1 излучение

 

Схема поглощения и излучения света атомом

 

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 hn₂₁ = 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

 

J = J₀ e^-ad,

где J₀ – интенсивность падающего света; J – интенсивность прошедшего света; d – толщина прозрачного вещества; a – коэф­фициент поглощения, зависит от l света, химической природы и состояния вещества.

Согласно закону (6.6) интенсивность света убывает в погло­щаю-щем веществе экспоненциально. При d = интенсивность ока­зыва-ется в раз меньше, чем J₀. Таким образом, коэффици­ент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при про­хождении которого интенсивность света убывает в раз. Коэф­фициент поглощения зависит от длины волны света (или часто­ты w), поэтому поглощение имеет селективный характер: энергии волн с разными частотами поглощаются в данном веществе по-раз­ному. Этим обусловливается окраска предметов. Прозрачные тела кажутся окрашенными в тот цвет, который менее поглощается. Так, красное стекло пропускает 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 поглотится вся энергия этой волны. Все это имеет место, когда оптические характеристики вещества не зависят от интенсивности света, т.е. в линейной оптике.