Феноменология поглощения света

При распространении плоской световой волны в веществе ее интенсивность уменьшается по мере проникновения в вещество. Это явление называется поглощением света в веществе. Оно вызвано преобразованием энергии электромагнитной волны в тепло. Бугер и Ламберт установили, что интенсивность I плоской монохроматической волны после прохождения сквозь слой поглощающего вещества толщиной x связанна с интенсивностью I₀ этой волны при входе в слой соотношением:

. (3.5.18)

Интенсивность света при прохождении через однородное вещество уменьшается по экспоненциальному закону. Это закон Бугера – Ламберта. Здесь a - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы вещества и состава вещества, и не зависит от интенсивности света. Коэффициент поглощения - численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз.

В случае точечного источника света, находящегося в однородной поглощающей среде световая мощность убывает по экспоненциальному закону.

Коэффициент поглощения монохроматического света пропорционален концентрации раствора при прохождении света через раствор поглощающего вещества в непоглощающем растворе. Это закон Бера:

a = a₁c.

Для всех веществ поглощение имеет селективный характер, т.е. коэффициент поглощения зависит от длины волны в вакууме.

В диэлектриках поглощение света связанно с резонансом при вынужденных колебаниях электронов в атомах и в молекулах диэлектрика. Диэлектрики поглощают свет избирательно в зависимости от частоты световой волны. При частотах, близких к частотам собственных колебаний поглощение значительно, для всех остальных частот диэлектрик прозрачен, a=0. В спектре веществ образуется система тесно расположенных линий – полос пропускания (рис.3.5.10), по которым можно судить о составе и строении молекул. На этом основан спектральный анализ.

В случае газов и паров металлов при невысоком давлении для всех длин волн коэффициент поглощения практически равен нулю, и лишь для очень узких спектральных интервалов δλ (порядка нескольких тысячных нм) обнаруживаются резкие максимумы (рис.3.5.11). Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов, которые практически не взаимодействуют друг с другом.

При повышении давления максимумы поглощения все больше расширяются, и при высоких давлениях спектр приближается к спектрам поглощения жидкостей (рис.3.5.10). Это связано с ростом взаимодействия между атомами.

Можно создать такое состояние атомов вещества, при котором коэффициент поглощения становится отрицательным, и прохождение света через такое вещество сопровождается усилением интенсивности. Именно это и осуществляется в лазерах.