Поглощение света веществом. Поглощение света. Закон Бугера. Поглощение в металлах

Опр. 5.7. . Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество, вследствие преобразования энергии волны в другие формы (внутреннюю энергию вещества и в энергию вторичного излучения других направлений и спектрального состава).

В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается закономБугера: (5.1)

где I 0 и I - интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, а - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

При интенсивность света I по сравнению с I 0 уменьшается в е раз.

Поглощение света становится особенно сильным при приближении его частоты к частотам собственных колебаний электронов в атомах вещества или атомов в молекулах вещества (резонансное поглощение ). Последовательность частот резонансного поглощения может в зависимости от рода и состояния вещества быть дискретной или непрерывной, а также представлять собой их комбинацию. Соответственно этому спектры поглощения называются линейчатыми, сплошными и полосатыми.

Одноатомные газы и пары металлов (т. е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (~10 -12 -10 -11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах – набор отдельных линий с характерными значениями длин волн, обусловленными структурой электронных оболочек атомов данного элемента.

Спектр поглощения молекулярных газов и паров , определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуетсяполосами поглощения - сгруппированные по определенному закону совокупности спектральных линий. Структура этих полос определяется составом и строением молекул. Поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов экспериментального исследования строения молекул.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (~10 -3 -10 -5 см -1), но у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, близких к собственным длинам колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах, когда резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т. е. диэлектрики имеютсплошной спектр поглощения, в пределахкоторых коэффициент поглощения изменяется плавно. Для света всех остальных длин волн диэлектрик практически прозрачен, т.е. близок к нулю. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 10 3 -10 5 см~ 1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

Окрашенность поглощающих тел объясняется зависимостью коэффициента поглощения от длины волны. Окраска несамосветящихся тел объясняется селективным отражением света от их поверхности и зависит: 1) от оптических свойств поверхности, 2) от спектрального состава падающего света. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным.

Это явление используется для изготовлениясветофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Используется вабсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Но: при достаточно больших интенсивностях света коэффициент поглощения некоторых диэлектриков начинает убывать с ростом . Это явление можно объяснить только с квантовой точки зрения.

поглощение света

уменьшение интенсивности света, проходящего через среду, вследствие взаимодействия его с частицами среды. Сопровождается нагреванием вещества, ионизацией или возбуждением атомов или молекул, фотохимическими процессами и т.д. Поглощенная веществом энергия может быть полностью или частично переизлучена веществом с другой частотой (см. Рассеяние света , Бугера Ламберта - Бера закон).

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 внутренней энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

Основной закон, описывающий П. с., ≈ закон Бугера, который связывает интенсивности I света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока I0. Не зависящий от I, I0и l коэффициент kl называется поглощения показателем (ПП, в спектроскопии ≈ поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света l. 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, которая зависит только от ПП и толщины слоя, т. е. dl/l= ≈kldl (дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физический 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 kl от l называется спектром поглощения вещества. Для изолированных атомов (например, в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е. kl отличен от 0 лишь в определённых узких диапазонах длин волн (шириной в десятые ≈ сотые доли). Эти диапазоны соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов, «резонирующих» с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1 ). Спектры П. с. отдельных молекул также соответствуют собственным частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самих атомов, которые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектры П. с. занимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч. Наконец, П. с. жидкостями и твёрдыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч) с большими значениями kl и плавным ходом его изменения (рис. 2 ). 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 отдельные частицы, но и многочисленные связи между ними. Об этом свидетельствует, например, изменение П. с. молекулярными газами с ростом давления ≈ чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем «расплывчатее» полосы поглощения, которые 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 немецкий 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 волны), т. е. концентрации с: kl= clс (правило Бера). Так закон П. с. приобрёл вид Бугера ≈ Ламберта ≈ Бера закона; ; где cl не зависит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физический 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 многочисленные отступления от него.

Сказанное выше относится к средам сравнительно малой оптической толщины, равной (в пренебрежении рассеянием света) kll. При возрастании kll П. с. 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 kll 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) свободным электронам, kl в таких средах сильно зависит от их электропроводности а. Значительное П. с. в проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащий kl входит в выражение для комплексного преломления показателя среды. В несколько идеализированном случае П. с. только свободными электронами (электронами проводимости) nkl = 4ps/c (n ≈ действительная часть показателя преломления, с ≈ скорость света). Измерения П. с. металлами позволяют определить многие характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются современной квантовой теорией металлооптики. В теоретических расчётах часто пользуются величиной c, связанной с kl ═соотношением, где l ≈ длина волны света в вакууме (а не в среде). Если (nc) равно 1, то в слое среды толщиной l интенсивность света уменьшается в е4p, т. е. ~ в 100 000 раз. Т. к. очень сильное П. с. характерно для металлов (по крайней мере в видимой и инфракрасной областях спектра), то, по предложению М. Планка, П. с. средами с (nc) ³ 1 называется «металлическим».

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, например, в столкновении с др. частицей перейти в кинетическую 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. многими средами перестаёт подчиняться закону Бугера ≈ kl начинает зависеть от I. Связь между I и I0 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 интенсивностях, выполнялись с веществами, молекулы которых возбуждаются очень ненадолго ≈ на время ~ 10-8сек ≈ и в которых поэтому доля возбуждённых молекул всегда невелика.) Особый интерес представляет ситуация, когда в поглощающей среде искусственно создана инверсия населённостей энергетических уровней, при которой число возбуждённых состояний на верхнем 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 I0, т. е. имеет место усиление света. Формально это явление соответствует отрицательности kl в законе Бугера и поэтому носит название отрицательного П. с. На отрицательном П. с. основано действие оптических квантовых усилителей и оптических квантовых генераторов (лазеров) .

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

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн 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.

Поглощение света .
Свет, проходя через любое вещество, в той или иной мере в нем поглощается. Обычно поглощение носит селективный характер, т. е. свет различных длин волн поглощается различно. Так как длина волны определяет цвет света, то, следовательно, лучи различных цветов, вообще говоря, поглощаются в данном веществе по-разному.
Прозрачными неокрашенными телами являются тела, дающие малое поглощение света всех длин волн, относящихся к интервалу видимых лучей. Так, стекло поглощает в слое толщиной в 1 см лишь около 1 % проходящих через него видимых лучей. То же стекло сильно поглощает ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи.
Цветными прозрачными телами являются тела, обнаруживающие селективность поглощения в пределах видимых лучей.

Например, "красным" является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые, синие и фиолетовые.
Если на такое стекло падает белый свет, представляющий собой смесь волн различных длин, то через него пройдут лишь более длинные волны, вызывающие ощущение красного цвета, более же короткие волны будут поглощены.
При освещении того же стекла зеленым или синим светом оно покажется "черным", так как стекло поглощает эти лучи.

С точки зрения теории упруго связанных электронов поглощение света вызвано тем, что проходящая световая волна возбуждает вынужденные колебания электронов. На поддержание колебаний электронов идет энергия, которая затем переходит в энергию других видов.
Если в результате столкновений между атомами энергия колебаний электронов переходит в энергию беспорядочного молекулярного движения, то тело нагревается.
Поглощение света можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.
Пусть через однородное вещество распространяется пучок параллельных лучей (рис.).

Выделим в этом веществе бесконечно тонкий слой толщиной dl , ограниченный параллельными поверхностями, перпендикулярными к направлению распространения света.
Плотность потока энергии и изменится при прохождении лучей через этот слой на величину −du . Естественно положить это уменьшение −du пропорциональным значению самой плотности потока энергии в данном поглощающем слое и его толщине dl :
−du = kudl . (1)
Коэффициент k определяется свойствами поглощающего вещества, он носит название коэффициента поглощения. Постоянство коэффициента k указывает на то, что в каждом слое поглощается одна и та же доля потока, дошедшего до слоя.
Для получения закона убывания плотности потока энергии в слое конечной толщины l перепишем выражение (1) в виде:
du/u = -kdl
и затем проинтегрируем его в пределах от 0 до l :
0 l ∫(du/u) = −k 0 l ∫dl .
Пусть в начале слоя (l = 0 ) плотность потока равна u0. Обозначим через u то значение, которое она приобретает, когда поток пройдет толщу вещества l . Тогда в результате интегрирования получим:
lnu − lnu o = −kl или ln(u/u o) = −kl ,
откуда
u = u o e −kl , (2)
где е − основание натуральных логарифмов.
Чем больше коэффициент поглощения k , тем сильнее поглощается свет. При l = 1/k , по (2):
u = u o /e = u o /2,72 ;
таким образом, слой, толщина которого равна 1/k , ослабляет плотность потока энергии в 2,72 раза.
Для различных веществ численное значение коэффициента поглощения k колеблется в весьма широких пределах. В видимой области для воздуха при атмосферном давлении k приблизительно равно 10 −5 см −1 для стекла k = 10 −2 см −1 , а для металлов k есть величина порядка десятка тысяч. Для всех веществ коэффициент поглощения k в той или иной мере зависит от длины волны.
Тонированное окно может поглощать, например видимый свет, от 0 до 100 % . К примеру, тонировка окон в квартире зачастую становится очень простым и удобным выходом из положения, если окна выходят на солнечную сторону − таким образом вредные в больших количествах ультрафиолетовые лучи не проникают в квартиру. Вследствие этого жарким летом в помещении сохраняется приятная прохлада, а предметы интерьера не теряют своих красок из-за яркого солнца.
На рис. представлена зависимость lgk от длины волны λ для газообразного хлора при 0 °С и атмосферном давлении. Как видно, в фиолетовой области коэффициент велик, затем он круто спадает в желто-зеленой области и снова возрастает в красной.

Опыт показывает, что при поглощении света веществами, растворенными в прозрачном растворителе, поглощение пропорционально числу поглощающих молекул на единицу длины пути светового луча в растворе. Так как число молекул, приходящихся на единицу длины, пропорционально концентрации раствора С , то коэффициент поглощения k пропорционален С , откуда можно положить k = хС , где х − новый постоянный коэффициент, не зависящий от концентрации раствора, а определяемый лишь свойствами молекул поглощающего вещества. Подставляя это значение k в формулу поглощения (2), получим
u = u o e −xCl . (3)
Утверждение, что коэффициент х не зависит от концентрации раствора, носит название закона Беера . Этот закон выполняется при условии, что наличие соседних молекул не меняет свойств каждой данной молекулы. При значительных концентрациях раствора взаимное влияние молекул сказывается, и тогда закон Беера перестает выполняться. В тех случаях, когда он имеет место, соотношение (3) позволяет определять концентрацию раствора по степени поглощения света в растворе.
Кроме рассмотренного „истинного" поглощения, при котором энергия световых волн переходит в энергию других видов, возможно убывание плотности потока энергии в пучке лучей за счет рассеяния энергии в стороны.

При прохождении через к--л. среду за счёт взаимодействия с ней, в результате к-рого световая энергия переходит в др. виды энергии или в оптич. излучение др. спектрального состава. Осн. законом П. с., связывающим интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучка I 0 , является закон Бугера Не зависящий от интенсивности света коэф. наз. показателем поглощения, причём как правило, различен для разных длин волн Этот закон был экспериментально установлен П. Бугером (P. Bouguer, 1729) и впоследствии теоретически выведен И. Ламбертом (J. Н. Lambert, 1760) при очень простых предположениях, что при прохождении любого слоя вещества интенсивность уменьшается на определённую долю, зависящую только от и толщины слоя l , т. е. dI/l = Решением этого ур-ния и является Бугера - Ламберта - Бера закон . Физ. смысл его состоит в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде, характеризуемый не зависит от их в световом пучке, т. е. от интенсивности света, и от толщины поглощающего слоя l . Это справедливо при не слишком больших интенсивностях излучения (см. ниже).
Зависимость от длины волны света называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолир. атомов (напр., разреженные газы) имеет вид узких линий, т. е. отличен от нуля только в нек-рых узких диапазонах длин волн (сотые - тысячные доли нм), соответствующих частотам собств. электронов внутри атомов. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в них, состоит из существенно более широких областей длин волн (т. н. полосы поглощения, десятые доли - сотни нм; см. Молекулярные спектры ).Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм) с большим значением ; качественно это объясняется тем, что в конденснр. средах между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них.
Качеств. картина процессов взаимодействия излучения с веществом, происходящих на атомном уровне и приводящих к П. с., может быть получена в рамках квазиклассич. подхода. В основе его лежит модель, рассматривающая атомы как совокупность гармонич. осцилляторов : электроны в атомах (молекулах) колеблются около положения равновесия. Такая модель приемлема для разреженных газов и паров металлов, где можно не учитывать влияния соседних атомов. Для жидких и твёрдых тел такая модель непригодна, т. к. поведение электронов, определяющих оптич. свойства атома, резко меняется под действием полей соседних атомов.
Спонтанное испускание атомов осцилляторной модели соответствует свободным (затухающим) колебаниям электронов. Собств. частоты этих колебаний v nm задаются 2-м постулатом Бора: где и - уровни энергии атома, между к-рыми совершается квантовый переход с испусканием света на частоте v nm .
При распространении в среде света, падающего на неё извне, колебания электронов в атомах носят вынужденный характер и совершаются с частотой падающей световой волны. При таком подходе П. с. связывается с потерями энергии волны на вынужденные колебания электронов. (Энергия, поглощённая атомом, может переизлучаться или переходить в др. виды энергии.) Световое поле падающее на среду, вызывает колебания электронов, описываемые ур-нием

Здесь т 0 и е 0 - масса и электрона, х - его смещение от положения равновесия, - коэф., характеризующий затухание. Первый член в (1) описывает силу инерции, второй - - тормозящую силу, пропорц. скорости колебат. движения электрона и обусловливающую затухание его колебаний (аналогичную силе трения), третий член - упругую силу, пропорц. смещению электрона от положения равновесия; правая часть ур-ния (1) - вынуждающая сила. Решение этого ур-ния

при ненулевом есть величина комплексная, что и свидетельствует о поглощении энергии волны атомом. При комплексной связи вынуждающей силы и отклонения электрона комплексными оказываются, соответственно, и интегральные величины: диэлектрич. проницаемость ( - проводимость, - веществ, часть диэлектрич. проницаемости) и показатель преломления Мнимая часть величины прямо связана с характеристикой поглощающих свойств среды - показателем поглощения: Величина являющаяся, как и ф-цией длины волны, наз. главным показателем поглощения. Введение комплексных величин и позволило применить формальное описание, разработанное для прозрачных сред, и к поглощающим средам. Именно с поглощением света связана аномальная дисперсия, к-рая имеет место внутри полосы поглощения (см. Дисперсия света ).
При рассмотрении П. с. с квантовой точки зрения вводится такая характеристика энергетич. уровней, как населённость уровня N n,m - число атомов, находящихся в данном энергетич. состоянии. В этом случае выражение для может быть представлено в виде

где разность населённостей уровней п и тN m - (g m /g n)N n (здесь g m и g n - статистич. веса заселённости уровней). Зависимость от разности частот - наз. контуром линии поглощения. В рассмотренном классич. приближении ширина линии поглощения на уровне 0,5 от максимума Это т. н. естеств. ширина линии. В реальных средах имеется ряд причин, увеличивающих ширину линии поглощения, иногда во много раз. Гл. причиной уширения линии поглощения в газах служит , возникающий вследствие беспорядочного движения атомов (см. Уширение спектральных линий) .
При спец. условиях возбуждения возможна т. н. инверсная населённость, когда т. е. когда населённость верхнего уровня больше населённости нижнего. В этом случае, как видно из (2), меняет знак и показатель поглощения - среда характеризуется т. н. отрицательным поглощением. Свет, проходящий через такую среду, не ослабляется, а, наоборот, усиливается. Среды, в к-рых возможно создание (тем или иным способом) инверсной населённости уровней, используются для создания лазеров и усилителей света.
Поскольку поглощение фотона приводит к переводу атома с нижнего уровня на верхний, то процесс поглощения влияет на заселённость энергетич. уровней. При обычно наблюдаемых интенсивностях света количество поглощаемых фотонов намного меньше числа поглощающих атомов, поэтому не зависит от интенсивности света. Соответственно, не зависит от неё и Однако, если интенсивность падающего на среду света достаточно велика, то в возбуждённое состояние может перейти значит. доля поглощающих атомов. Это приведёт к тому, что и ибудут зависеть от интенсивности света - возникнет т. н. нелинейное поглощение. В этом случае закон Бугера перестаёт быть справедливым. В пределе, при очень высокой интенсивности падающего света, населённости верх. и ниж. уровней выравниваются и среда перестаёт поглощать свет - просветляется, т. е. свет проходит через такую среду, вообще не испытывая поглощения (см. Самоиндуцированная прозрачности) .
При очень высокой интенсивности света возможна и ещё одна особенность П. с. - многофотонное поглощение ,когда в одном акте одновременно поглощается несколько (i )фотонов меньших частот при условии
П. с. используется в разл. областях науки и техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствительные методы количеств. и качеств. хим. анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия . Вид спектра П. с. удаётся связать с хим. структурой вещества, по виду спектра поглощения можно исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру и мн. др.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Королёв Ф. А., Теоретическая оптика, М., 1966; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973.

А. П. Гагарин .

Поглощением (абсорбцией ) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество .

Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x , имеем

Здесь E (x ) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x ; – амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x ; β – коэффициент затухания колебаний; коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

где – интенсивность волны на входе в среду.

При , . Следовательно, коэффициент поглощения – физическая величина , численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а ).


а	б

Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б . Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны ) объясняется окрашенность поглощающих тел . Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.

С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.