Поглощение света. Закон Бугера

Поглощение света в веществе связано с преобразованием энергии электромагнитного поля волны в тепловую энергию вещества (или в энергию вторичного фотолюминесцентного излучения). Закон поглощения света (закон Бугера) имеет вид:

I=I₀ exp(-ax), (1)

где I₀, I – интенсивности света на входе (х=0) и выходе из слоя среды толщины х, a – коэффициент поглощения, он зависит от l.

Для диэлектриков a=10^-1¸10^-5 м^-1, для металлов a=10⁵¸10⁷ м^-1,поэтому металлы непрозрачны для света.

Зависимостью a(l)объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красный свет, при освещении белым светом будет казаться красным.

Рассеяние света. Закон Релея

Дифракция света может происходить в оптически неоднородной среде, например в мутной среде (дым, туман, запыленный воздух и т.п.). Дифрагируя на неоднородностях среды, световые волны создают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям.

Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.

Это явление наблюдается, если узкий пучок солнечных лучей проходит через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и становится видимым.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны (не более чем 0,1l), то интенсивность рассеянного света оказывается обратно пропорциональной четвертой степени длины волны, т.е.

I_расс ~ 1/l⁴. (2)

Эта зависимость носит название закона Релея.

Рассеяние света наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Например, оно может происходить на флуктуациях (случайных отклонениях) плотности, анизотропии или концентрации. Такое рассеяние называют молекулярным. Оно объясняет, например, голубой цвет неба. Действительно, согласно (2) голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем красные и желтые, т.к. имеют меньшую длину волны, обуславливая тем самым голубой цвет неба.

Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты v.

Так как v=с/n, то дисперсией света можно назвать также зависимость показателя преломления n среды от частоты v световой волны.

Наиболее отчетливо дисперсия света проявляется при прохождении белого света через призму. За призмой лучи белого света окажутся разложенными на составляющие цвета – в спектр. Полученный спектр называют призматическим, в отличии от дифракционного спектра, даваемого дифракционной решеткой.

Согласно электронной теории дисперсии свет «раскачивает» электроны в атомах, причем сильнее всего "раскачивает" в том случае, когда частота световой волны близка к собственной частоте колебаний электрона в среде v₀, т.е. в случае резонанса.

Степень взаимодействия света с веществом, а, следовательно, и скорость распространения света зависит от близости к резонансу, т.е. от v-v₀, а также от параметра b – характеризующего затухание свободных колебаний электрона.

Согласно электронной теории дисперсии справедлива следующая приближенная формула для показателя преломления

, (3)

где A=2pNe²/m, где N – концентрация атомов; e, m – заряд и масса электрона.

На рис. 2 приведен график зависимости n от v

при b = 0 (штриховая линия) и с учетом b (сплошная линия). Области А и С, для которых с увеличением частоты v показатель преломления возрастает, называются областями нормальной дисперсии, т.е для них

или (4)

Область В, для которой с увеличением частоты v показатель преломления уменьшается, называется областью аномальной дисперсии, т.е. для нее

или (5)

В области аномальной дисперсии поглощение света очень велико.