Механизм поглощения света веществом кратко

Обновлено: 04.07.2024

Поглощением света называют потери энергии волны при прохождении ее сквозь вещество, в результате преобразования ее энергии в другие формы (внутреннюю энергию, вторичное излучение). Результатом поглощения света является уменьшение интенсивности света.

Поглощение в классической теории дисперсии учитывают, рассматривая некоторую диссипативную силу. Эта сила очень мало искажает собственные колебания электрона за один период, значит, ее можно положить пропорциональной скорости движения электрона ($\frac$). Так, сила сопротивления, действующая на электрон имеет вид:

где $g$ коэффициент, зависящий от природы среды. Соответственно, амплитуда колебаний убывает по закону:

Если колебания затухают слабо, то есть справедливы выражения:

такое затухание, вызванное излучением, называют естественным затуханием. При этом время естественного затухания по энергии $_$, за которое энергия убывает в $e$ раз, будет равно:

Уширение спектральных линий

Затухание приводит к тому, что колебания становятся немонохроматическими. Что в свою очередь ведет к уширению спектральных линий. Так, естественной шириной спектральной линии называют ширину соответствующей линии, которая вызвана затуханием в результате излучения. Для того чтобы найти такую ширину требуется поле излучения:

требуется разложить в интеграл Фурье. В таком случае квадраты коэффициентов полученного разложения определят относительные спектральные плотности излучения $I\left(\omega \right):$

Форма линии спектра изображена на рис.1. Ширину спектральной линии обычно характеризуют расстоянием между точками $AA'$ (рис.1). Эти точки располагаются по разные стороны от центра лини. В них интенсивность света равна половине интенсивности в центре линии. Такое расстояние называют полушириной спектральной линии.

Готовые работы на аналогичную тему

Естественная полуширина спектральной линии равна:

В квантовой физике время излучения связано со временем жизни возбужденного состояния.

Естественное затухание свечения изолированных атомов и уширение линий спектра эмпирически исследовал В. Вин. Он заставлял каналовые лучи, которые состояли из светящихся атомов, проходить сквозь узкое отверстие в область, где поддерживался вакуум. В такой области атомы двигались без столкновений, при этом их свечение затухало, при увеличении расстояния от входа. Так оценивалось время естественного затухания. Средняя скорость движения атомов каналовых лучей измерялась по смещению линий спектра Доплера.

Причины поглощения света

Все, что было сказано ранее, относилось к излучению изолированного атома. В веществе атом не только теряет энергию, излучая, но и получает ее от излучения других атомов. Если среда является полностью оптически однородной, то процесс излучения и процесс поглощения взаимно компенсируют друг друга. Если бы отсутствовали другие причины затухания, то плоская бегущая волна распространялась в веществе без ослабления.

При нарушении оптической однородности вещества (тепловых флуктуаций, посторонних включений в вещество) ситуация изменяется. Потери атомами энергии при излучении ведет к ослаблению волны. Но требуется отметить, что это рассеяние света, а истинное его поглощение. Истинным поглощением света называют процесс, при котором происходит превращение энергии волны света в тепло (другие формы энергии).

Причиной поглощения света считают столкновения атомов друг с другом в процессе их колебаний. Так, в теории уширения линий спектра, которая вызвана столкновениями атомов (молекул) газа, подобное изменение размера спектральных линий называют ударным. Ударное уширение спектральных линий определяют выражением:

где $_\approx \frac$ -- среднее время свободного пробега атома между столкновениями. $N$- количество атомов в единице объема, $\sigma $ - газокинетическое сечение атома, $v$ -- средняя скорость теплового движения атома.

Следующей причиной поглощения света является взаимодействие излучающего атома с силовыми (прежде всего электрическими) полями, которые создают окружающие атомы.

Закон поглощения света

Относительно изменения интенсивности световой волны, которая проходит через вещество и испытывает поглощение, работает закон Бугера:

где $I_0$ -- интенсивность волны света на входе в вещество, $I$ - интенсивность волны света на выходе, $x$ -- толщина слоя вещества, $\alpha $ -- коэффициент поглощения вещества, который связан с длиной волны света, веществом.

Явление поглощения применяют в спектральном анализе смесей газов. Этот прием основан на измерении спектров частот и интенсивностей полос поглощения, так как спектральную структуру при поглощении определяет состав молекул.

Во сколько раз изменится интенсивность света ($\frac$), если толщина слоя вещества, которое он прошел, равна $2x.$ Тогда как если свет в этом же веществе прошел путь $x$, его интенсивность уменьшается в три раза.

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем закон Бугера:

Запишем закон (1.1) для случая, когда свет прошел путь $x$, и его интенсивность уменьшилась в три раза:

Возьмем натуральный логарифм от обеих частей выражения (1.3) получим:

Используем результат, полученный в (1.4), запишем интенсивность света на выходе из слоя ($I_2$) заданного вещества, если путь света равен $2x$:

Найдем искомое отношение:

Задание: Почему одной из причин возникновения поглощения света называют столкновения атомов в веществе друг с другом?

Решение:

Атомы, внутри которых идут колебания, совершая тепловое движение, сталкиваются между собой. В результате каждого столкновения резко изменяются амплитуды и фазы гармонических колебаний. В результате этого идет переход энергии колебательных движений в тепло (то есть поглощение света).

Ударные затухания особенно сильно проявляются в плотных газах и при высоких температурах. В обычных условиях столкновения оказывают большее влияние на затухание, чем излучение.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеем

Здесь E(x) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x; – амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний; коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

где – интенсивность волны на входе в среду.

При , . Следовательно, коэффициент поглощения – физическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а).


а	б

Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.

С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА, уменьшение интенсивности света при прохождении через вещество вследствие его взаимодействия с атомами и молекулами вещества. Электромагнитное поле световой волны возбуждает дополнит. колебания электронов и ионов вещества, на что расходуется энергия. Частично она возвращается в виде вторичного электромагнитного излучения. В терминах квантовой теории процесс П. с. связан с переходом электронов в атомах и молекулах, поглощающих излучение, с низких уровней энергии на более высокие. Обратный переход в основное или нижнее возбуждённое состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно, или комбинированным путём, причём способ обратного перехода определяет, в какой вид энергии переходит энергия поглощённого света.

Опр. 5.7..Поглощением (абсорбцией) 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).

В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается закономБугера: (5.1)

где I₀ и I — интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, а —коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

При интенсивность света I по сравнению с I₀ уменьшается в е раз.

Поглощение света становится особенно сильным при приближении его частоты к частотам собственных колебаний электронов в атомах вещества или атомов в молекулах вещества (резонансное поглощение). Последовательность частот резонансного поглощения может в зависимости от рода и состояния вещества быть дискретной или непрерывной, а также представлять собой их комбинацию. Соответственно этому спектры поглощения называются линейчатыми, сплошными и полосатыми.

Одноатомные газы и пары металлов (т. е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (~10 -12 —10 -11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах – набор отдельных линий с характерными значениями длин волн, обусловленными структурой электронных оболочек атомов данного элемента.

Спектр поглощения молекулярных газов и паров, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуетсяполосами поглощения- сгруппированные по определенному закону совокупности спектральных линий. Структура этих полос определяется составом и строением молекул. Поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов экспериментального исследования строения молекул.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (~10 -3 -10 -5 см -1 ), но у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, близких к собственным длинам колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах, когда резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т. е. диэлектрики имеютсплошной спектр поглощения,в пределахкоторых коэффициент поглощения изменяется плавно. Для света всех остальных длин волн диэлектрик практически прозрачен, т.е. близок к нулю. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях.

Коэффициент поглощения для металловимеет большие значения (примерно 10 3 —10 5 см~ 1 ) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

Это явление используется для изготовлениясветофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Используется вабсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Но: при достаточно больших интенсивностях света коэффициент поглощения некоторых диэлектриков начинает убывать с ростом . Это явление можно объяснить только с квантовой точки зрения.

В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается закономБугера: (5.1)

При интенсивность света I по сравнению с I₀ уменьшается в е раз.

Волновая оптика. Физика атома. Ядерная физика, элементарные частицы.

1. Элементы волновой оптики

Волновая оптика это раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляются волновые свойства света: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света и другие, связанные с ними явления. Классическая волновая оптика рассматривает свет как поток электромагнитных волн и основывается на теории электромагнитных волн, разработанной Максвеллом в семидесятых годах девятнадцатого столетия. C ветовые волны по всем своим признакам идентичны с электромагнитными волнами и видимый свет занимает интервал длин волн от 400 нм до 760 нм или частот от 4·10 14 до 7,6·10 14 с -1 в шкале электромагнитных волн . Другим наиболее весомым доводом для установления электромагнитной природы световых волн послужило установление равенства скорости распространения световых и электромагнитных волн в пустоте, которая выражается через магнитную и электростатическую постоянные

Световая волна, как и любая другая электромагнитная волна, состоит из двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного, – векторы напряженности которых и колеблются в одинаковых фазах и во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.1 ).

Они выражаются уравнениями

Опыт показывает, что электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне не равноценны. Физиологическое, биологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются, в основном, электрическим полем световой волны. В соответствии с этим вектор электрического поля световой волны принято называть световым вектором. Это значит, что при рассмотрении различных явлений в световой волне учитываются колебания только вектора .

Фазовая скорость световых волн в веществе связана со скоростью распространения в вакууме соотношением

Откуда следует, что показатель преломления среды выражается через магнитную и диэлектрическую проницаемости . Для всех прозрачных веществ , поэтому . Эта формула связывает оптические и электрические свойства вещества.

Монохроматичность и когерентность световых волн . Понятие монохроматической волны подразумевает неограниченную в пространстве волну, характеризуемую единственной и строго постоянной частотой. Близкую к такому определению монохроматичности световую волну могут давать лазеры, работающие в непрерывном режиме. Однако другие реальные источники света не могут излучать такую волну. Излучение таких источников имеет прерывистый характер. Прерывание волн уже приводит к их немонохроматичности. Поэтому понятие монохроматичности световых волн имеет ограниченный смысл. С понятием монохроматичности тесно связано также понятие когерентности волн, означающее согласованность колебаний светового вектора во времени и пространстве в двух или нескольких световых волнах. Когерентными волнами являются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени и в пространстве разность фаз.

Причина отсутствия монохроматичности и когерентности света обычных источников света заключается в самом механизме испускания света атомами или молекулами источника. Продолжительность возбужденного состояния атомов, т.е. продолжительность процесса излучения света, равна τ ≈10 -8 с. За этот промежуток времени возбужденный атом, излучив световую волну, вернется в нормальное состояние и, спустя некоторое время, возбудившись вновь, может излучать световую волну с новой начальной фазой, т.е. фазы этих волн изменяются при каждом новом акте излучения. Поскольку возбуждение атомов является случайным явлением, то и разность фаз двух последовательных волн, испущенных атомом, будет случайным, они не будут когерентными. Сказанное можно отнести и к излучению двух разных атомов вещества, так как их можно рассматривать как два независимых источника света. Отсюда следует, что волны, испускаемые атомами вещества, будут когерентными только в течение интервала времени ≈10 -8 с. Совокупность волн, испущенных атомами за такой промежуток времени называется цугом волн. Значит, когерентны только волны, принадлежащие одному цугу волн. Средняя продолжительность одного цуга волн называется временем когерентности . За время когерентности волна проходит путь , эта величина является длиной когерентности (длиной цуга волн).

Читайте также: