И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 90
Текст из файла (страница 90)
144.1. Рис, !44.2. В области аномальной дисперсии понятие групповой скорости теряет смысл (поглощение очень велико). Поэтому вычисленное по формуле (143.16) значение и не будет характеризовать скорости передачи энергии. Соответствующий расчет дает и в этой области для скорости передачи энергии значение, меньшее с.
й 145. Поглощение света При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых электронами; частично же она переходит в энергию движения атомов, т. е. во внутреннюю энергию вещества. Поэтому интенсивность света при прохождении через веществоуменьшается —,свет поглощается в веществе.
Вынужденные колебания электронов, а следовательно, и поглощение света становятся особенно интенсивными прн резонансной частоте (см. изображенную пунктиром кривую поглощения на рис. 144.2). Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону: 1 ге-ж (145.1) Здесь )', — интенсивность света на входе в поглощающий слой (на границе или в каком-то месте ннутри вещества), ! — толщина слоя, 462 ГЛ. ХХ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН С ВЕЩЕСТВОМ я — постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая к о эффи ц и ентом поглощен н я.
Соотношение (145.1) носит название за кона Б у ге р а. Продифференцировав соотношение (145.1), получим Н = — И1,е™а= — ИТ а. (145.2) Из этого выражения следует, что убыль интенсивности на пути с(1 пропорциональна длине этого пути и значению самой интенсивности. Коэффициентом пропорциональности служит коэффициент поглощения. Из формулы (145.1) вытекает, что при 1=1/и интенсивность 1 оказывается в е раз меньше, чем 1..
Таким образом, коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в е раз. Коэффициент поглощении зависит от длины волны света ). (или частоты ы). У вещества, атомы (или молекулы) которого практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при 42 г Рис. 145.2. Рис. !45.1. невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок к нулю и лишь для очень узких спектральных областей (шириной в несколько сотых аигстрема) обнаруживает резкие максимумы (рпс.
145.1). Зги максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Поскольку А1ассы атомов в десятки тысяч раз больше массы электрона, молекулярные частоты бывают намного меньше атомных — они попадают в инфракрасную область спектра. Газы при высоких давлениях, а также жидкости и твердые тела дают широкие полосы поглощения (рис. 145.2).
По мере повышения давления газов максимумы поглощения, первоначально очень узкие (см. рнс. 145.1), все более расширяются, и прп высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей. Зтот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Металлы практически непрозрачны для света (коэффициент н для них имеет значение порядка 10' м ', для сравнения укажем, что для стекла хж1 м-').
Зто обусловлено наличием в металлах $!46 РАССЕянИе светА свободных элект онов. р . Под деиствием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение — в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро убывает, превращаясь во внутреннюю энергию металла. й 146. Рассеяние света С классическсй точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электроное в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентцыми, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию. Соответствующий расчет дает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны.
Поэтому перераспределения света по направлениям, т. е. рассеяния света, не происходит. Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях только при распространении света в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям.
Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют р а с с е я н и е м света. Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название му т н ы х с р ед. К их числу относятся: 1) дымы, т. е. взвеси в газах мельчайших твердых частиц; 2) туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости; 3) взвеси или суспеизии, образованные плавающими в жидкости твердыми частичками; 4) эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не растворяющей первую (примером эмульсии может служить молоко, представляющее собой взвесь капелек жира в воде); б) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т.
и. Свет, рассеянный иа частицах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, оказывается частично поляризованным. Это объясняется тем, что колебания электронов, вызванные рассеиваемым световым пучком, происходят в плоскости, перпендикулярной к пучку 1рис, 1чб.)). Колебания вектора Е во вторичной волив происходят в плоскости, проходящей через направление колебаний зарядов (см. рис, 109.2). Поэтому свет, рассеиваемый частицзмн н направлениях, перпендикулярных к пучку, будет полностью Д)№ 1 № 11зонзн, 3 направлениях, образующих с пучком угол, отлпч~КЮяФЫй свет нолярнзовзп только частично, ," 1п ~у~ааа, 1)Х гл. хх.
эзлимодеяствие волн с веществом В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении (145.1), наряду с коэффициентом поглощения х, должен стоять добавочный коэффипи-, ент х', обусловленный рассеянием: 1= ),е '"""" (146.1) Постоянная х' называется к о э ффициентом экстинкции. а' э Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной свеРис.
14б.1. товой волны (не более -0,1й), ин- тенсивность рассеянного света 1 оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины волны: У ы' 1 (146.2) Эта зависимость носит название з а к о н а Р э л е я. Ее происхождение легко понять, если учесть, что мощность излучения колеблющегося заряда пропорциональна четвертой степени частоты и, следовательно, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (см. формулу (109.6)). Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, элен- троны, находящиеся в различных местах неоднородности, колеблются о заметным сдвигом по 1=У фазе. Это обстоятельство усложняет явление и приводит — — — еэ к другим закономерностям— интенсивность рассеянного света становится пропорцио- 3 — — —— нальной всего лишь квадрату частоты (обратно пропорцио- Х~ 1паэ нальной квадрату длины волны).
Рис. 14б.2. Проявление закономерности (146.2) легко наблюдать, пропуская пучок белого света через сосуд с мутной жидкостью (рис. 146.2). Вследствие рассеяния след пучка в жидкости хорошо виден сбоку, причем, поскольку короткие световые волны рассеиваются гораздо сильнее длинных, этот след представляется голубоватым. Прошедший через жидкость пучок оказывается обогащенным длиниоволиовым излучением и образует на экране 3 не белое, а красновато- желтое пятно.
Поставив на входе пучка в сосуд поляризатор Р, мы обнаружим, что интенсивность рассеянного света в различных » Ых ЭФФЕКТ ВАВПЛОВА — ЧЕРЕНКОВА направлениях, перпендикулярных к первичному пучку, не одинакова. Направленность излучении диполя (см. рис. !09.3) приводит к тому, что в направлениях, совпадающих с плоскостью колебаний первичного пучка, интенсивность рассеянного света практически равна нулю, в направлениях же, перпендикулярных к плоскости колебаний„ интенсивность рассеянного света максимальна.
Поворачивая поляризатор вокруг направления первичного пучка, мы будем наблюдать попеременное усиление и ослабление света, рассеивающегося в данном направлении. Лаже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет. Л. И.Мандельштам и М. Смолуховский установили, что причпиои появления оптических неоднородностей являются в этом случае флуктуации плотности (т. е. наблюдаемые в пределах малых Объемов отклонения плотности от ее среднего значения).
Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называется м о л е к у л я р н ы м. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере, вследствие беспорядочного молекулярного движения, места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет. При этом согласно закону (146.2) голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обусловливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, распространяющиеся непосредственно от него лучи проходят большую толщу рассеивающей среды, в результате чего они оказываются обогащенными ббльшими длинами волн. По этой причине небо на заре окрашивается в красные тона.
Особенна благоприятные условия для возникновения значительных флуктуаций плотности имеются вблизи критического состояния вещества (в критической точке 7(77/йУ=О; см. $ !23 1-го тома). Эти флуктуации приводят к столь интенсивному рассеянию света, что «на просвет» стеклянная ампула с веществом кажется совершенно черной. Это явление называется к р и т и ч ес к о й о п а л е сценцией. й 147. Эффект Вавилова — Черенкова В 1934 г. П. А.
Черенков, работавший под руководством С. И. Вавилова, обнаружил особый вид свечения жидкостей под действием у-лучей радия. Вавилов высказал правильное предположение, что источником излучения служат быстрые электроны, создаваемые у-лучами. Это явление получило название э ф ф е к т а В аз и по в а — Ч е р е н к о в а. Его полное теоретическое объяснение было дано в 1937 г. И. Е. Таммом и И. М. Франком '). а) В 1958 г. работа Черенкова, Тамма и Фрикка была отмечена Нобелевси й премией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
