Поглощение (абсорбция) света.

Поглощением (абсорбцией) света наз. явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается. Поглощение света в веществе описывается законом Бугера*: где I₀ и I — интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего в-ва толщиной х, a —коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния в-ва и не зависящий от интенсивности света.

Коэфф. поглощения зависит от длины волны l (или частоты w) и для различных веществ различен. Н-ер, одноатомные газы и пары металлов (т.е. в-ва, 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 10^–12—10^–11 м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответ. частотам собственных колебаний эл-ов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молеку­лах, характеризуется полосами поглощения (примерно 10^–10—10^–7 м).

Коэфф. поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10^–3—10^–5 см^–1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда a резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т.е. диэлектрики имеютсплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных эл-ов и поглощение света обусловлено явлени­ем резонанса при вынужденных колебаниях эл-ов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэфф. поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 10³—10⁵ см^–1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных эл-ов, 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. типичная зависимость коэфф. поглощения a от длины волны света l и зависимость показателя преломления n от l в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается ано­мальная дисперсия (n убывает с уменьшением l). Однако поглощение в-ва должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Явление поглощения 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.

15. Естественный и поляризованный свет

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное эл.-м. излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равнове­роятными колебаниями светового вектора (рис. 272, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется боль­шим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в кот. направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление коле­баний вектора Е (рис. 272, б),то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в кот. вектор Е (и, сл-но, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272, в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяриз. волны и направление распространения этой волны, называется плоско­стью поляризации. Плоскополяриз. свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпен­дикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз j, равной нулю или p), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность (при j = ±p/2 и равенстве амплитуд склады­ваемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом.

Степенью поляризации называется величина

где I_max, и I_min - максимальная и минимальная интенсивности частично поляриз. света, пропускаемого анализатором. Для естественного света I_max=I_min и Р=0, для плоскополяризованного I_min =0 и Р=1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяриз, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направле­ния В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы. Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует от­метить турмалин.

16. Поляризационные призмы. Анализ поляризованного света.Для получения поляри­зованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Часто для этого применяютсяпризмыиполяроиды. Призмы делятся на:1) дающие только плоскополяризованный луч(поляризационные призмы); 2) дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы).

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей (обыкновенного) от границы раздела, а другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу.Пред­ставителем поляризац. призм является призма Николя*, назыв. николем. Призма Николя (рис. 281) представляет собой двойную призму из исландс­кого шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом с п=1,55. Оптическая ось ОО' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребру СВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (n_о=1,66) и необыкновенный (n_e=1,51).

Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга. Примером двоякопреломляющих призм служат призмы из исландского шпата и стекла, призмы, составленные из двух призм из исландского пшата со взаимно перпендикулярными оптическими осями.

Анализ поляризованного света

Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, нор­мально падает плоскополяризованный свет (рис. 283). Внутри пластинки он разбивает­ся на обыкновенный (о) и необыкновенный (е) лучи, которые в кристалле пространст­венно не разделены (но движутся с разными скоростями), а на выходе из кристалла складываются.

Т.к. в обыкновенном и необыкновенном лучах колебания светового вектора совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, то на выходе из пластинки в результате сложения этих колебаний возникают световые волны, вектор Е (а сл-но, и Н) в кот. меняется со временем так, что его конец описывает эллипс, ориентированный произвольно относительно координатных осей. Уравнение этого эллипса:

где Е_o и Е_e —составляющие напряженности электрич. поля вол­ны в обыкновенном и необыкновенном лучах, j — разность фаз колебаний. В результате прохождения через кристаллическую пластинку плоскополяризованный свет превращается в эллиптически поляризованный.

Между обыкновенным и необыкновенным лучами в пластинке возникает оптичес­кая разность хода или разность фаз где d — толщина пластинки, l₀ — длина волны света в вакууме.

Если D = (n_o– n_e) d = l/4, j = ±p/2, то уравнение примет вид т. е. эллипс ориентирован относительно главных осей кристалла. При E_o=Е_e, (если световой вектор в падающем на пластинку плоскополяризованном свете составляет угол a = 45° с направлением оптической оси пластинки) т. е. на выходе из пластинки свет оказывается циркулярно поляризованным.

Вырезанная параллельно оптической оси пластинка, для которой оптическая раз­ность хода

называетсяпластинкой в четверть волны (пластинкой l/4). Знак плюс соответствует отрицательным кристаллам, минус — положительным. Плоскополяризованный свет, пройдя пластинку l/4, на выходе превращается в эллиптически поляризованный (в частном случае циркулярно поляризованный). Конечный результат, как уже рассматри­вали, определяется разностью фаз j и углом a. Пластинка, для которой

называетсяпластинкой в полволны.

17. Вращение плоскости поляризации

Некот. в-ва (например, из твердых тел — кварц, сахар, киноварь, из жид­костей — водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), назыв.оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на след. опыте . Если между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения анализатора просветляется. При повороте анализатора на некоторый угол j можно вновь получить темное поле зрения. Угол j и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Т.к. поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество, является плоскополяризованным. Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически актив­ных кристаллов и чистых жидкостей для оптически активных растворов где d — расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, a([a]) - называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концент­рации — для растворов), С -массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м³. Удельное вращение зависит от природы в-ва, температуры и длины волны света в вакууме.

Опыт показывает, что все в-ва, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же св-вом и в кристаллическом состоянии. Но если в-ва активны в кристалл. состоянии, то не всегда активны в жидком (н-ер, расплавленный кварц). Сл-но, оптическая активность обусловливается как строением молекул в-ва (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристалл. решетке.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором — влево (против часовой стрелки). Вращение плоскости поляризации объяс­нено О. Френелем (1817 г.). Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

Явление вращения плоскости поляризации и, в частности, формула лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией).

18. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа.Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловлен­ное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче­ние совершается за счет энергии тепло­вого движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характериз. сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких темпер. излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) эл-м. волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение - единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в по­лость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в резуль­тате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то темпер.тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной харак-кой теплового излучения служит спектральная плот­ность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины: где d — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу време­ни (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n+dn. СИ- (R_n,T) - (Дж/м²).

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интег­ральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют про­сто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам: Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект­ральной поглощательной способностью показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота­ми от n до n+dn, поглощается телом. Спектральная поглощательная способ­ность — величина безразмерная. Величины R_n,T и А_n,T зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным Т и n (вернее, к достаточно узкому интервалу частот от n до n+dn).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным.

Закон Кирхгофа.Кирхгоф установил количественную связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектрал. поглощательной способностью тел. Отношение спектрал. плотности энергетической светимости к спектрал. поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры (закон Кирхгофа): Для черного тела , поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что R_n,T для черного тела равна r_n,T. Таким образом,универсальная функция Кирхгофа r_n,T как спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Сл-но, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектр. поглощательной способности равно спектрал. плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре и частоте.

Излучение, по закону Кирхгофа не подчиняется, не является тепловым.