Взаимодействие оптического излучения со средой. Поглощение и рассеивание света

Эффекты взаимодействия света с изотропной средой могут быть описаны физическими параметрами: показателем преломления п, характеризующим уменьшение скорости света в среде, и коэффициентом поглощения характеризующим уменьшение амплитуды колебаний. Закон распространения монохроматической световой волны в среде описывается выражением

где E(t) - мгновенное значение напряженности электрического поля в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения волны на расстоянии z; Е,„0 - амплитуда напряженности электрического поля в начале координат; со - круговая частота электромагнитного поля.

В зависимости от значения коэффициента поглощения х материалы подразделяются на сильнопоглощающие > 10), слабопоглощающие (X < 0.01) и занимающие по этому параметру промежуточное положение.

Примерами первой группы материалов являются металлы. Их оптические свойства определяются главным образом проводимостью. Металлы характеризуются высокой поглощающей и отражательной способностью во всем оптическом диапазоне длин волн.

Примерами слабопоглощающих веществ в широком спектре оптического излучения являются вода, газы, некоторые стекла. Их отражательная способность практически полностью определяется диэлектрическими свойствами (величиной п).

Материалы промежуточной группы, примерами которых являются полупроводники и многие диэлектрики, характеризуются высокой степенью зависимости поглощающей и отражательной способности от спектра излучения, толщины слоя, а полупроводники - зависимостью оптических свойств от температуры. Для диэлектриков характерно наличие в спектре длин волн зон поглощения и прозрачности с резкими границами, зависящими от материала. Это может быть использовано для получения измерительной информации о химическом составе материала.

Уменьшение энергии световой волны в веществе при поглощении обусловлено преобразованием энергии световой волны во внутреннюю (тепловую) энергию вещества или энергию вторичного излучения (люминесценция), имеющего иной спектральный состав и иные направления распространения.

Ослабление света в изотропной среде описывается законом Бугера- Ламберта, который для силы света записывается следующим образом:

где /(z) - сила света в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения волны на расстоянии z; /0 - сила света в начале координат; ах - показатель поглощения материала.

Величина ах в значительной мере зависит от длины волны. Эта зависимость называется спектром поглощения.

Спектр поглощения изолированных атомов (например, разряженные газы) имеет вид узких линий поглощения, т. е. отличен от нуля только в определенных узких диапазонах длин волн (десятые - сотые доли °А), соответствующих частотам собственных колебаний электронов внутри атомов.

Молекулярный спектр поглощения, определяемый колебаниями атомов в молекулах, состоит из более широких областей длин волн - полос поглощения, в которых поглощение значительно (единицы - тысячи °А).

Поглощение твердых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (тысячи - десятки тысяч °А) с большим значением

о.-,,. Это объясняется тем, что в конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всей совокупности частиц энергии, отданной светом одной из них.

В терминах квантовой теории процесс поглощения света связан с переходом электронов в поглощающих атомах, ионах, молекулах или твердом геле с более низких уровней энергии на более высокие. Обратный переход в основное или нижнее возбужденное состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно, а также комбинированным путем, причем способ обратного перехода определяет, в какой вид энергии переходит энергия поглощенного света.

Кроме явления поглощения при прохождении светового потока через среду имеет место рассеяние света - преобразование света веществом, сопровождающееся изменением направления его распространения, поляризации и (в общем случае) частоты. Рассеяние света обусловлено его дифракцией на оптических неоднородностях среды. Существует большое количество разновидностей рассеяния света. Рассеяние Рэлея происходит без изменения частоты света при прохождении света через скопление частиц с размерами, меньшими длины волны. Рассеяние может происходить на электронах среды (явление Комптона), молекулах вещества (комбинационное рассеяние), на частицах, размеры которых составляют от долей до нескольких длин волн.

В первом приближении ослабление оптического излучения за счет рассеяния может быть описано зависимостью, аналогичной закону Бугера-Ламберта:

где /(z) - сила света в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения волны на расстоянии z; /0 - сила

света в начале координат; р>. - показатель рассеяния, характеризующий ослабление излучения за счет рассеяния.

Величина «показатель рассеяния» P>L, так же как и «показатель поглощения» ах, в значительной мере зависит от длины волны оптического излучения. Причины селективности рассеяния близки причинам, объясняющим селективность поглощения. В частности, на основе квантовой теории рассеяние объясняется изменением направления траектории фотона вторичного излучения, возникающего при возвращении электрона атома, возбужденного фотоном падающего света, в нсвозбуждсннос состояние, относительно траектории фотона первичного излучения.

Рассеяние проявляется как несобственное свечение среды под действием оптического излучения.

Суммарное ослабление света веществом за счет рассеяния и поглощения определяется показателем экстинции ух = аА + (Зь вводимым в формулу закона Бугера-Ламберта.

Устанавливаемое законом Бугера-Ламберта изменение интенсивности света в зависимости от толщины слоя, а также избирательность поглощения и рассеяния могут быть использованы для измерительных преобразований толщины (уровня), концентрации, структуры, химического состава.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >