Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Если среда однородна и изотропна (IV.3.1.60), то в результате интерференции образуется проходящая волна, фазовая скорость которой зависит от частоты, а направление распространения совпадает с направлением распространения первичной волны.
3°. В случае оптически неоднородной среды в результате наложения первичной и вторичных волн возникает рассеяние света (V.3.3.I.0). Наконец, при падении света на границу раздела двух различных сред в результате интерференции возникает не только проходящая, но также и отраженная волна. Таким образом, в образовании отраженной волны участвует более или менее значительный слой частиц среды, прилегающий к отражающей поверхности. Поэтому при полном внутреннем отражении (IV.4.5.8°) электромагнитное поле световой волны не обрывается на границе раздела с оптически менее плотной средой, а частично проникает в нее. Однако напряженность поля E в этой среде очень быстро убывает по мере удаления от границы по закону
480 ГЛ. V.3. ПОГЛОЩЕНИЕ, РАССЕЯНИЕ И ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
где z — расстояние от границы раздела, і — угол падения (і > іпр), X2 — длина волны света в среде, п2\ — относительный показатель преломления среды.
§ V.3.2. Поглощение света
1°. Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества (11.2.1.2°) или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав и иные направления распространения (фотолюминесценция (VI.2.5.B.50)). Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.
Поглощение света описывается законом Бугера—Ламберта (законом Бугера), согласно которому интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:
J=Ioe-0'*
Здесь Iq и J — значения интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной х, а а' — натуральный показатель поглощения среды, который зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света X.
Для разбавленного раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе выполняется закон Бера а’ = Ъс, где с — концентрация раствора, а Ъ — коэффициент пропорциональности, не зависящий от с. В концентрированных растворах закон Вера нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества.
2°. В согласии с законом Бугера—Ламберта уравнение плоской линейно поляризованной монохроматической световой волны, распространяющейся в поглощающей среде вдоль положительного направления оси ОХ, имеет вид
E =E0 ехр (~2 а х) cos (oof - kx).
§ V.3.2. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА
481
Здесь E — напряженность электрического поля волны в точках с координатой х, a E0 — амплитуда E в точках плоскости х = 0, ш — циклическая частота света, k = 2и/% = (ш/с)п — волновое число, А, — длина волны света в среде, с — скорость света в вакууме, а п — показатель преломления среды.
В экспоненциальной форме уравнение этой волны имеет вид (IV.3.2.70)
где h = п — ік — комплексный показатель преломления среды (і = V-І — мнимая единица), а
к = — = gi^0
2ш 4л
— главный показатель поглощения среды, характеризующий убывание интенсивности и амплитуды плоской волны по мере ее распространения в среде, Xq = пк — длина волны света в вакууме.
3°. Зависимость натурального показателя поглощения диэлектрика а' от длины волны света X0, характеризующая спектр поглощения света в этой среде, связана с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика. Диэлектрики поглощают свет более или менее селективно: поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах. Наиболее четко это явление резонансного поглощения света обнаруживается у разреженных одноатомных газов (например, у паров большинства металлов), для которых характерен линейчатый спектр поглощения света. Дискретные частоты интенсивного поглощения света совпадают с частотами собственного излучения возбужденных атомов этих газов.
У газов с многоатомными молекулами наблюдаются системы тесно расположенных линий, образующих полосы поглощения. Структура полос поглощения определяется составом и строением молекул. Жидкие и твердые диэлектрики имеют
E =E1
0ехр
exp [i(C0f - Йя)] = Eq exp - Tl
482 ГЛ. V.3. ПОГЛОЩЕНИЕ, РАССЕЯНИЕ И ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
сплошные спектры поглощения, состоящие из сравнительно широких полос поглощения, в пределах которых натуральный показатель поглощения а' достигает значительной величины и плавно изменяется в зависимости от длины волны Xq. Такой ход зависимости а' от Xq у конденсированных сред объясняется сильным взаимодействием между частицами среды, приводящим к появлению множества дополнительных резонансных частот.
4°. При достаточно больших значениях интенсивности света закон Бугера—Ламберта (п. 1°) нарушается: показатель поглощения диэлектрической среды начинает зависеть от I, уменьшаясь с ростом I. Это явление, необъяснимое в рамках классической теории поглощения света, легко истолковывается в квантовой теории взаимодействия света с веществом. При поглощении света часть молекул среды переходит в возбужденное состояние. Возбужденные молекулы не могут участвовать в дальнейшем поглощении света до тех пор, пока они не вернутся, растратив свою избыточную энергию, в невозбужденное («нормальное») состояние. Доля возбужденных молекул среды тем больше, чем больше интенсивность света и чем больше среднее время (х) жизни молекулы в возбужденном состоянии. Если доля этих молекул незначительна, то поглощение света происходит в соответствии с законом Бугера—Ламберта. В противном случае а' уменьшается с ростом интенсивности света.
