Д.В. Белов - Электромагнетизм и волновая оптика (1115538), страница 40
Текст из файла (страница 40)
При больших концентрациях начинает скязываіъоя взаимодействие между молекулами, котороеприводит к изменению поглощательной способности молекул, и законPepa нарушается.Коэффициент поглощения существенно зависит от частоты световойволны. Это связано с механизмом, гфиводящим кпотере анергии световой волной при прохождении через вевдесті',<;. В'.-первых, возбуждаемыенаданицей еолной ‘'>сцилляторн среды расходуют стж- эннргюоне толькои;члучнни*і вторичных В'>.і!н, HO также частично передают ееза счетвэаишдействий или ігри соударениях окружающим молекулам. Эта частьэнергии переходит во внутреннюю энергию вещества, чеми объясняетсяпоглощение в сооственном смысле слова. Во-вторых,часть энергии вторичного излучения молекул приходится на рассеяние в стороны (онавелика, например, для мутных сред, см.
§ 47), что также приводит кослаблению проходящей волны и тем самым даѳт вклад в коэффициентпоглощения. Величина как поглощенной, так и рассеянной энергии увеличивается сростом амплитуды вынужденных колебаний, поэтому наиболее сильное поглощение наблюдается при резонансе - коэффициент поглощения имеет максимумы на частотах, равных частотам собственныхколебаний осцилляторов среды.У изолированных атомов частоты собственных колебаний оптических электронов приходятся на видимуюи ультрафиолетовую части спектраи отстоят сравнительно далеко друг от друга,поэтому в разреженных парах металлов, в которых атомы практически не взаимодействуютдруг с другом, зависимость л'(ы) имеет вид узких пиков (линиипоглощения), вне которых к = О.
Па рис.174 схематически(ширина линий поглощения сильно преувеличена) представлена зависимость коэффящиента поглощения от длины волны для паров натрия в некотором диапазоне длин волн (у экспериментаторов принято характеризовать излучение не частотой, а длиной волны х = 2пс/ы и говоритьо зависимостяхп(ХІ, К ( Х > ,и т.п.вместоп(ш), Kl о>кАОООCUIf M AOOCOCJ CJO Oглгло-\Г\СПо-\• •On IAOD СГ%Cf) COTXІЛtnРис.174у газов, состоящих из молекул, вместо узких линий наблюдаютсядовольно широкие полосы поглощения, в пределах которых коэффициент поглощения существенно отличен от нуля (исследование сиспользованием приборов свысокой разрешающей способностьюпоказывает, что каждая полоса состоит из тесно расположенных узкихлиний).
Кроме того, появляются полосы поглощения в инфракрасной области спектра, обусловленные колебаниями ионов. По мере повышениядавления полосы расширяются и у конденсированных сред (жидкости,203Лтвердые тела) имеют сложный характер, лишенный специфики спектровпоглощения газов. Полнуюинформацию о спектрах поглощения веществаможно получить по его спектрам испускания, которые рассматриваютсяБ квантовой оптике и атомной физике: оба спектра по существу совпадают и представляют собой совокупность собственных частот осцилляторов, из которых состоит рассматриваемое вещество.Все изложенное выше о дисперсии и поглощении в полной мере относится юлько к диэлектрическим средам.
Металлы вследствие наличияуних свободных электронов плохо пропускают электромагнитные волнывплоть до рентгеновского диапазона частот и для света практическинепрозрачны. Это связано не столько с сильным поглощением,сколько свысокой отражательной способностью металлов (у натрия - до 99,8 *).Такое поведение металлов является следствием правила Ленца: свободные электроны под действием электрического поля падающей световойволны образуют индукционные токи,электромагнитное поле которых максимально противодействует вызвавшей их причине, т.е. гасит световуюволну внутриметалла.§ 47,РАССЕЯНИЕ СВЕТАСреда, в которой оптические характеристики - показатель преломления и коэффициент поглощения, усредненные по областям, существенно мѳньвшм длины световой волны х, одинаковы во всех точках, оптически однородна. В такой среде вторичные источники в двух малых посравнению с х и одинаковыхпо объему элементах среды щш одинаковыхусловиях возбуждения имеют одинакоше амплитуды и фазы.
Проследимза распространением плоской монохроматической световой волны в оптически однородном веществе.Пусть I - мгновенное положение фронта волны (рис.175). Легковидеть, что во всех направлениях, отличных от направления первичнойволны, вторичные водны, идущие от точек этого фронта, взаимно погашаются. Действительно, для любого направления распространешія ѳ * О каждомуэлементу среды дѵ на фронте z найдетсясоответствующий элемент дѵ' такой, чторазность хода лучей, идущих от них врассматриваемом направлении, равна х/2,что Обеспечит іфотивоположность фаз колебаний и взаимное уничтожение последч7Направление распроних.
При этом весьма существенно, чтобыстранения светеамплитуды и фазы колебаний, исходящихиз элементов лѵ и лѵ' , были одинаковы,Рис.175как это и имеет место в оптически однородной среде. Таким образом,204в оптически однородной среде световая волна сохраняет 'нафавлениесвоего распространения.В оптически неоднородной среде вследствие неодинаковости оптических характеристик в разных точках амплитуды и ,фазы вторичныхисточников Б дѵ и йѵ разные и приведенное рассуждение теряет силу.При прохождении таких веществ свет с заметной интенсивностью распространяется по всем направлениям - это явление называется рассеянием света.* Оптическая неоднородность может оыть обусловлена наличием в однородной среде инородных частиц, размеры которых H e слишкоммалы по сравнению сдлицвй' световой' волны (мутныесреды).
К мутным средам относятся преадѳ всего‘различные взвеси;твердых частиц в жидкости (суспензия) или газе (дым), капель жидкости в другой жидкости ('эмульсия) или газе (туман), а также некоторые аморфные твердые тела вроде молочных стекол или опала.Оптическая,неоднородность возникает и в однородных по составужидкостях и газах за счет флуктуаций концентрации, т.е. случайныхотклонений значения концентрации от своего среднего значения -такиефлуктуации всегда имеют место, являясь следствием хаотического характера движения молекул. Показатель преломления согласно (4Ь.З)нѳпосрѳдствешіо связан сконцентрацией молекул N , поэтому флуктуации концентрации приводят к оптической неоднородности и, следовательно, к рассеянию света.
Флуктуации, обычно достаточно малые, становятся весьма значительными вблизикритических температур для рядапроцессов. Так, например, сильное рассеяние наблюдается при гфибли-жении температуры газа или жидкости к критической точке (явлениекритической опалесценции).В тех случаях, когда размеры неоднородностей больше длины световой волны, наблюдаемая картина рассеяния имеет специфический види очень чувствительна к размерам и форме неоднородностей (укажем натакие явления, как радуга и гало вокруг солнца, вызванные наличиемв земной атмосфере соответственно капелек и льдинок).
Однако, еп.ішразмеры неоднородностей меньше длины световой волны (■ о,?. * ), интенсивность рассеянного света удовлетворяет общим закономерностям,установленным Рэлеем, в частности,І(Ѳ,Х) ~ Igy - Q ,(47.1 )X-*где I - интенсивность падаицей волны, х - длина световой волны,ѳ - угол между направлением наблюдения рассеянногс' света и направлением падающей волны.Угловая зависимость интенсивности рассеянного света, определяемая множителем (1 + соз^ѳ), наглядно отображается тд>гр'гі'тт.исс.-,"205рассеяния, которая получается,если из некоторой точки з каждом направленяк отложить отрезок, ітрогпр?дііоиаль>шй значениюинтенсивности lO'i для этого/направления (рис.17с, пространНапр, падаjющей волныственнзя HEflffi-taTpMCca получается вращением этой кривой вокругнаправления падающей зо,лны).Замечаем, что і(ѳ)I- ѳьРИС.176т.ѳ.
свет одинаково рассеивается вперед и назад.Сильная обратная зависимость интенсивности рассѳяшюго светаот длины волны ('Ѵ.1Л4) означает, что суо'ественно интенсивнее рассеиваются волны смѳкьтей длиной волнн, т.е. с большей частотой, исоответственно волна, ітрох.одящая в первоначальном направлении,обедняется высокими частотами.
В частност',-, ес.як через рассеивающуюсрѳ.ду идет волна от источника бѳлсіго света, то при наблюдении сбокусреда кажется голуСіоватг^й, а сам источник на просвет выглядит болеекрасным. Земная атмосфера за счет флуктуацийрассеивает гтроходящийчерез нее солнечный свет - этик' объясняется голубой цвет неба и изменение цвета солнца в зависимости от толщины слоя аткюсферы, который проходят лучи (покраснение на закат>’}.При рассеянии происходи? частичная поляризация света, причемсвет, рассеянный по и против направления падающей волны (Ѳ -- О. п ) ,остается естественным, а. свет, рассеянный под прямым углом (Ѳ=п /2),оказывается полностью поляризованным с направлением колебаний электрического вектора, перпендикулярным плоскости, проходящей черезнаправление наблюдения и направление падающей волны (рис.і77,а).РассеивающеевѳиествоРис.1 7 7Возникновение поляризации у рассеянного света имеет простоеобъяснение.
Представим падающую волну естественного света в видедвух волн, поляризованных во взаицно перпендикулярных плоскостях, снаправлением алектрического вектора, перпендикулярным плоскостичертежа - в первой волне и лежащим б этой гілоскости во второй.Эти волны возбуждают колебания оптических электронов в указанныхнаправлениях, и среду можно рассматривать как сонокупнссть двух p da-206ночисленных групп излучающих диполѳі-Ьэлектрические моменты которых пегпвН'дикул$?рны плоскости чертежа () илежат E ней ( рі) I -эти векторы каобра"жены на рііс.177,0 соотвѳтственно жирной точкой и двусторонней стрелкой.Как мы еидели ранее ісм. с. 123 ирис.9 ? ), диполь излучает неодинако?ов различных направлениях.
Простренст-венная диаграмма направленности из;іучения привелг^ка на рис. I 7 6 , где д л и н ыотрезков с черточками пропоримональныинтенсивности излучения f? соответсгБуюідем направлении,сами черт<:'чкиуказывают налргшление колебаниг^ элек •трического вектора.Рис.17-3Применительно к нашей задаче эте. инликатрисиа и.аобра.’п-ітсй бсечении ллоскость>;: чертежа, о к р у ж н о с т ь ю для диполе;^і с pj. и сг^-обі у з н а й кривой для диполей с рц ' рис. 17 7 ,б) .В .направлении падающей Р'.-лны и обратном диполи обоих типов излучают с одинаковой интенсивностью, давач в совокупности естественный свет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
