Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Поглощение света При прохождении электромагнитной волны через вещество часть энергии волны затрачивается йа возбуждение колебаиий электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных воли, возбуждаемых электронами; частично же она переходит в дру- 236 гие виды энергии (напрнмер, в энергию движения атомов, т. е. во внутреннюю энергию вещества). Таким образом, интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается — свет поглощается в веществе. Вынужденные колебания электронов, а следовательно и поглощение света, становятся особенно интенснвнымн при резонансной частоте (см.
изображенную пунктиром кривую поглощеция на рис. !49). Опыт показывает, что изменение интенсивности спета на пути й пропорционально величине этого пути и величине самой интенсивности: с(1 = — х1 а. (46,!) В этом выражении х — постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэфф и ц.и е н т о м п о г л о щ е н и я. Знак минус поставлен потому, что Ш и п1 имеют разные знаки. Пусть на входе в поглощающий слой (на границе или в каком-то-месте внутри вещества) интенсивность света равна 1м Найдем интенсивность 1 света, прошедшего слой вещества толщины 1.
Для этого проинтегрируем выражение (46.!), предварительно разделив переменные: ~ — = — х~ п1. В результате получим: !п1 — !и 1з = — к1, откуда 1„~-х~ (46.2) Соотношение (46.2) носит название з а кон а Б у ге р а. Согласдо этому закону интенсивность света убывает в поглощающем веществе экспоненцнально. При 1=!1н интенсивность 1 оказывается в е раз меньше, чем 1з. Таким образом, коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в е раз. Коэффициент поглощения зависит от длины волны света Х (или частоты ы). У вещества, находящегося в таком состоянии, что атомы или молекулы практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн.
близок к нулю.н лишь для очень узких спектральных областей (шириной в несколько 237 сотых ангстрема) обнаруживает резкие максимумы (рис. 150). Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Так как массы атомов в десятки тысяч раз больше массы электрона, молекулярные частоты бывают намного меньше атомных— они попадают в инфраи красную область спектра. Твердые тела, жидко- сти и газы при высоких Рис. 150.
давлениях дают широкие полосы поглощения (рнс. 151). По мере повышения давления газов максимумы поглощения, первоначально очень узкие (см. рис. 150), все более расширяются, и при высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей. Этот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Металлы практически непрозрачны для света (х для них составляет величину порядка десятков тысяч обратных сантиметров; для сравнения укажем, что для стекла х = !О-з сн-'). Это Рис. 151.
обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение — в металле возникают быстроперемеиные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. й 47. Рассеяние света С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах.
Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных 2зз волн, распространяющихся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию. Соответствующий расчет показывает, что в случае однородной среды вторичные волны полностью гасит друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому перераспределение света по направлениям, т.
е. рассеяние света, отсутствует. В направлении первичного луча вторичные волны, ннтерферируя с первичной проходящей волной, образуют результирующую волну с фазовой скоростью, отличной от с. Этим, как мы видели в предыдуших параграфах, объясняются преломление и дисперсия света. Таким образом, рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракциоиную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света').
Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред. К их числу принадлежат: !) дымы, т. е. взвеси мельчайших частиц в газах; 2) туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости; 3) взвеси нли суспензии, 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); 5) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. д. 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 (46.2), наряду с коэффициентом истинного поглощения х, должен стоять добавочный коэффициент х', обусловленный ') Иногда ато явлеиие называют диффузией или явлениеми Тиидаля.
рассеянием: 7=7ое <"+ "з' (47. 1) Величина к' носит название к о э ф ф и ц н е н т а э к ст и н к ц и и. Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны (не более -О,Щ, интенсивность рассеянного света ! оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины волны: 7сз ес~ 1 х (47.2) Эта зависимость носит название з а к о н а Р э л е я. Ее происхождение легко понять, если учесть, что согласно электромагнитной теории интенсивность вторичных волн пропорциональна квадрату ускорения излучающего электрона !см.
т. П, формулу (114.5)). Движение электрона под действием световой волны происходит по гармоническому закону: г = г соз Ы. В этом случае ускорение пропорционально оР. Следовательно, интенсивность излучения будет пропорциональна м". Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны, электроны, находящиеся в различных местах неоднородности, колеблются' с заметным сдвигом по фазе. Это обстоятельство усложняет явление и приводит к иным закономерностям.
Интенсивность рассеянного света становится пропорциональной всего лишь квадрату частоты (обратно пропорциональной квадрату длины волны). Напомним, что рассеянный свет является частично поляризованным (см. $29, рис. !13). Проявление закономерности (47.2) легко наблюдать, пропуская пучок белого света через сосуд с мутной жидкостью (рис. !52). Вследствие рассеяния след пучка в жидкости хорошо виден сбоку, причем, так как короткие световые волны рассеиваются гораздо сильнее длинных, этот след представляется голубоватым. Прошедший через жидкость' пучок оказывается обогащенным длинноволновым излучением и образует на экране Е не белое, а красновато-желтое пятно.
Поставив на входе пучка в сосуд поляризатор,мы абару>кнм,что интенсивность рассеянного света в различных направлениях, перпенди- 240 кулярных к первичному пучку, не одинакова. Направленность излучения диполя (см. т. 11, рис. 246) 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 гюляризатор вокруг направления первичного пучка, мы будем наблюдать попеременное усиление н ослабление света, рассеивающегося в данном направлении.
Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости н газы, которых нельзя назвать мутными оредами, в некоторой степени рассеивают Р~тг /~хмт Рве. 152. свет. Л, И. Мандельштам н М. Смолуховский установили, что причиной 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 называегся 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 (47.2) 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 болыпую толщу рассеивающей среды, в результате чего оии оказываются обогащенными ббльшими длинами волн. По этой причине небо на заре окрашивается в красные тона. Особенно благоприятные условия для возникновения значительных флуктуаций плотности имеются вблизи критического состояния вещества (в критической точке б!р/г!У =0; см. т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
