ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА, уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П. с. переходит в различные формы внутр. энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

Осн. закон, описывающий П. с.,- закон Бугера I=I₀l^-k_X^l, к-рый связывает интенсивности I света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока Iо. Не зависящий от I, Iо и l коэфф. k_x наз. поглощения показателем (ПП, в спектроскопии - поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света X. Этот закон установил на опыте в 1729 П. Бугер. В 1760 И. Ламберт вывел его теоретически из очень простых предположений, сводящихся к тому, что при прохождении слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на долю, к-рая зависит только от ПП и толщины слоя, т. е. dI/I =-k_xdl (дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физич. смысл закона состоит в том, что ПП не зависит от I и l (это было проверено С. И. Вавиловым экспериментально с изменением I~ в 10²⁰ раз).

Зависимость k_X от X наз. спектром поглощения вещества. Для изолированных атомов (напр., в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е. k_x отличен от О лишь в определённых узких диапазонах длин волн (шириной в десятые - сотые доли А). Эти диапазоны соответствуют частотам собств. колебаний электронов внутри атомов, "резонирующих" с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1). Спектры П. с. отд. молекул также соответствуют собств. частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самих атомов, к-рые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектры П. с. занимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч А.

Рис. 1. Схематическое изображение нескольких пар линий поглощения света в парах натрия. Набор линий соответствует набору собственных частот колебаний т. н. "оптических" электронов в атоме. В Na наблюдается до 50 пар таких линий (на рисунке для простоты показаны только три). Ввиду того, что максимумы поглощения чрезвычайно узки, масштаб рисунка грубо искажён.

Наконец, П. с. жидкостями и твёрдыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч А) с большими значениями k\ и плавным ходом его изменения (рис. 2).

Рис. 2. Схема-: тнческое изображение широкой полосы поглощения света.

Качественно это можно объяснить тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них. Другими словами, со световой волной "резонируют" не только отд. частицы, но и многочисл. связи между ними. Об этом свидетельствует, напр., изменение П. с. молекулярными газами с ростом давления - чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем "расплывчатое" полосы поглощения, к-рые при высоких давлениях становятся сходными со спектрами П. с. жидкостями.

Ещё Бугер высказал убеждение, что для П. с. важны "не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах". Позднее нем. учёный А. Бер (1852) экспериментально подтвердил это, показав, что при П. с. молекулами газа или вещества, растворённого в практически непоглощающем растворителе, ПП пропорционален числу поглощающих молекул на единицу объёма (и, следовательно, на единицу длины пути световой вол-

висит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физич. смысл правила Бера состоит в утверждении независимости П. с. молекулами от их взаимодействия с окружением, и в реальных газах (даже при невысоких давлениях) и растворах наблюдаются многочисл. отступления от него.

Сказанное выше относится к средам сравнительно малой оптической толщи-

средой усиливается на всех частотах - линии и полосы поглощения расширяются. (Объяснение этому даёт квантовая теория П. с., учитывающая, в частности, многократное рассеяние фотонов в оптически "толстой" среде с изменением их частоты и, в конечном счёте, поглощением их частицами среды.) При достаточно больших k_Xl среда поглощает всё проникающее в неё излучение как абсолютно чёрное тело.

В проводящих средах (металлах, плазме и т. д.) световая энергия передаётся не только связанным электронам, но и (часто преимущественно) свобод-н ы м электронам. k_Xв таких средах сильно зависит от их электропроводности а. Значит. П. с. в проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащий k_X, входит в выражение для комплексного преломления показателя среды. В несколько идеализированном случае П. с. только свободными электронами (электронами про-

ствит. часть показателя преломления, с - скорость света). Измерения П. с. металлами позволяют определить мн. характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются совр. квантовой теорией металлооптики. В теоретич. расчётах часто пользуются

В терминах квантовой теории при П. с. электроны в поглощающих атомах, ионах, молекулах или твёрдых телах переходят с более низких уровней энергии на более высокие (см. также Квантовые переходы). Обратный переход в основное состояние или в "нижнее" возбуждённое состояние может совершаться с излучением фотона или безызлучательно. В последнем случае энергия возбуждённой частицы может, напр., в столкновении с др. частицей перейти в кинетич. энергию сталкивающихся частиц (см. Столкновения атомные). Тип "обратного" перехода определяет, в какую форму энергии среды превращается энергия поглощённого света.

В световых потоках чрезвычайно большой интенсивности П. с. мн. средами перестаёт подчиняться закону Бугера - k начинает зависеть от I. Связь между I и Iо становится нелинейной (нелинейное П. с.). Этот эффект, в частности, может быть обусловлен тем, что очень большая доля поглощающих частиц, перейдя в возбуждённое состояние и оставаясь в нём сравнительно долго, меняет (или совсем теряет) способность поглощать свет, что, разумеется, заметно изменяет характер П. с. средой. (Опыты Вавилова, показавшие соблюдение закона Бугера и при больших интенсив-ностях, выполнялись с веществами, молекулы к-рых возбуждаются очень ненадолго - на время ~ 10^-8 сек - и в к-рых поэтому доля возбуждённых молекул всегда невелика.) Особый интерес представляет ситуация, когда в поглощающей среде искусственно создана инверсия населённостей энергетич. уровней, при к-рой число возбуждённых состояний на верх, уровне больше, чем на нижнем. В этом случае каждый фотон из падающего потока вызывает испускание ещё одного точно такого же фотона с большей вероятностью, чем поглощается сам (см. Излучение, в разделе Квантовая теория излучения). В результате интенсивность выходящего потока I превосходит интенсивность падающего Iо, т. е. имеет место усиление с в е-т а. Формально это явление соответствует отрицательности k_X в законе Буге-ра и поэтому носит название о т-рицательного П. с. На отрицат. П. с. основано действие оптич. квантовых усилителей и оптич. квантовых генераторов (лазеров).

П. с. широчайшим образом используется в различных областях науки и техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствит. методы количеств, и качеств, химич. анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия и пр. Вид спектра П. с. удаётся связать с химич. структурой вещества, установить в молекулах наличие определённых связей (напр., водородной связи), исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников и мн. др. ПП можно определять и в проходящем, и в отражённом свете, т. к. интенсивность и поляризация света при отражении света зависят от k\ (см. Френеля формулы). См. также Металлооптика, Спектроскопия.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Гайтлер В., Квантовая теория излучения, пер. с англ., М., 1956; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Мосс Т., Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961. А.П.Гагарин.