Что поглощает свет в природе

Поглощение света. Закон Бугера

Поглощением или абсорбцией называется явление потери энергии световой волны, проходящей через вещество, вследствие преобразования световой энергии волны в разные формы внутренней энергии вещества или в энергии вторичного излучения другого направлений и спектрального состава. При прохождении света через вещество происходит поглощение энергии, вследствие чего интенсивность света уменьшается. Изменение интенсивности света выражается экспериментальным законом, которая называется законом Бугера.

где I— интенсивность света падающего на вещество

I — интенсивность с вышедшего из вещества

х — толщина вещества

α- коэффициент поглощения, зависящей от длины волны падающего света, химического состава вещества и его агрегатного состояния.

Коэффициент поглощения . Если α численно равен обратной величине от толщины вещества, то есть , то интенсивность вышедшего света уменьшается в е раз. Рассмотрим, как зависит коэффициент поглощения от длины волны и структуры вещества.

Одноатомные газы

В природе (в космосе) очень часто встречается вещество, которую можно представить как разряженный одноатомный газ. Атомы химических элементов также можно представить как одноатомный газ. Из-за того, что атомы находится на больших расстояниях друг от друга, свет через такие вещества проходит, практически не поглощаясь. Поглощение света наблюдается лишь в том случае, когда частота падающего света совпадает с собственной частотой внешнего оптического электрона. ν =ν!

α=10 -11 -10 -12 м -1

Молекулярные газы

Если вещество находится в молекулярном состоянии, то есть в состав молекулы входят несколько атомов, то поглощение света будет наблюдаться, когда частота падающего излучения соответствует частоте колебании атомов в молекулах и электронов в атомах.

Если вещество находится в молекулярном состоянии, то наблюдается поглощение в некотором интервале ∆ν, в результате чего спектр получается полосатым.

α=10 -8 -10 -10 м -1

Диэлектрики

Для прозрачных диэлектриков поглощение невелико α=10 -5 -10 -7 м -1 , но для них наблюдается селективное поглощение (выборочное). Такое поглощение связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение вызвано явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и молекулах, имеющих достаточно прочную связь друг с другом. Диэлектрики дают сплошной спектр поглощения.

Поглощение в металлах

Металлы полностью поглощают свет и α=10 3 -10 4 м -1 , то есть металлы непрозрачны для света. Такое сильное поглощение связано с тем, что в металлах есть свободные электроны, и при попадании света в металлах возникают быстропеременные электрические токи. Эти токи быстро затухают, превращаясь в джоулевую теплоту. Чем больше проводимость металла, тем сильнее он поглощает световую волну. Там, где происходит поглощение, наблюдается аномальная дисперсия. На графике представлена зависимость показателя преломления от длины волны и коэффициент поглощения α от длины волны. Зависимость α от λ представлена для линейчатого спектра. В реальности линейчатый спектр не бесконечно тонкая линия, а некоторая кривая имеющая острый максимум. На графике видно, что поглощение происходит между точкой АВ, где наблюдается аномальная дисперсия.

Зависимостью α от λ объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, если стекло слабо поглощает красные лучи, но сильно поглощает синие цвета, то при падении белого света на такое стекло, оно будет выглядеть красным. Мы видим за счет отраженного света. Если же такое стекло осветить зеленым или синим светом, то оно нам будет казаться черным, так как сильно поглощает.

Источник



GardenWeb

Возможность разложения света была впервые обнаружена Исааком Ньютоном. Узкий луч света, пропущенный им через стеклянную призму, преломился и образовал на стене разноцветную полоску — спектр.

По цветовым признакам спектр можно разделить на две части. В одну часть входят красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые цвета, а в другую — зеленые, голубые, синие и фиолетовые.

Длина волн лучей видимого спектра различна и лежит приблизительно в пределах от 380 до 760 нм(ммк). За прёделамп видимой части спектра располагается невидимая его часть. Участки спектра с длиной волны более 780 нм называются инфракрасными, или тепловыми. Они легко обнаруживаются термометром, установленным на этом участке спектра. Участки спектра с длиной волны менее 380 нм называются ультрафиолетовыми. Эти лучи химически активны; они разрушают несветопрочные пигменты и ускоряют старение лакокрасочных пленок.

Световые лучи, исходящие от различных источников света, имеют неодинаковый спектральный состав и поэтому значительно отличаются по цвету. Например, свет обычной электрической лампочки желтее солнечного света. Объясняется это тем, что в спектре луча дневного света преобладают волны, соответствующие синему цвету, в то время как в спектре электрической лампочки с вольфрамовой и особенно с угольной нитью преобладают красные и оранжевые цветовые волны. Поэтому один и тот же предмет может принимать различную окраску в зависимости от того, каким источником света он освещен.

Вследствие этого и окраска комнаты и предметов, находящихся в ней, воспринимается нами при естественном и искусственном освещении с различными цветовыми оттенками.

Поэтому, подбирая красочные составы для окраски, необходимо учитывать условия освещения во время эксплуатации.

Цвет каждого предмета зависит от его физических свойств, т. е. способности отражать, поглощать или пропускать лучи света. Лучи света, падающие на поверхность, делятся на отраженные, поглощенные и пропущенные.

Тела, почти полностью отражающие или поглощающие лучи света, воспринимаются нами как непрозрачные, а тела, пропускающие значительное количество света, — как прозрачные (стекло).

Если поверхность или тело отражает или пропускает в одинаковой степени все лучи видимой части спектра, то такое отражение или пропускание светового потока называется неизбирательным.

Так, предмет кажется черным, если он поглощает в равной степени почти все лучи спектра, и белым, если отражает в равной степени почти все лучи спектра.

Если смотреть на предметы через бесцветное стекло, их цвет останется для нас прежним. Следовательно, бесцветное стекло почти полностью пропускает все цветовые лучи спектра, за исключением незначительного количества отраженного и поглощенного света, также состоящего из всех цветовых лучей спектра.

Если же заменить бесцветное стекло синим, то все предметы за стеклом покажутся синими (синее стекло пропускает в основном только синие лучи спектра, поглощая почти полностью лучи остальных цветов).

Цвет непрозрачных предметов также зависит от отражения и поглощения поверхностью волн различного спектрального состава. Так, предмет кажется синим, если он отражает только синие лучи, а все остальные поглощает; если же предмет отражает красные и поглощает все остальные лучи спектра, он воспринимается как красный, и т. д.

Такое пропускание и поглощение предметами лучей называется избирательным.

Ахроматические и хроматические тона. Существующие в природе цвета по цветовым свойствам можно разделить на две группы: ахроматические, или бесцветные, и хроматические, или цветные.

К ахроматическим тонам относятся белый, черный и целый ряд промежуточных серых тонов.

Группа хроматических цветовых тонов состоит из красных, оранжевых, желтых, зеленых, фиолетовых и бесчисленного множества промежуточных цветов.

Луч света от предметов, окрашенных в ахроматические тона, отражается, не претерпев каких-либо заметных изменений. Поэтому эти тона воспринимаются нами только как белые или черные с целым рядом промежуточных серых оттенков, которые в этом случае зависят исключительно от способности тела поглощать или отражать все лучи спектра. Чем больше света отражает предмет, тем он кажется белее, и чем большее количество света предмет поглощает, тем он кажется чернее.

В природе не существует материала, отражающего или поглощающего все 100% падающего на него света, поэтому нет ни идеально белого, ни идеально черного тона. Самый белый тон имеет порошок химически чистого сернокислого бария, спрессованный в плитку, который отражает 94% падающего на него света; цинковые белила несколько темнее сернокислого бария, свинцовые белила еще темнее и далее, по мере уменьшения белизны, располагаются: гипс, литопонные белила, писчая бумага высшего сорта, мел и т. д. Наиболее темной считается поверхность черного бархата, отражающего около 0,2% света. Таким образом, ахроматические тона отличаются один от другого только светлотой. Человеческий глаз различает около 300 ахроматических оттенков.

Читайте:  Дежурство в уголке природы старшая группа для детей

Хроматические цвета обладают тремя свойствами: цветовым тоном, светлотой и насыщенностью цвета.

Цветовым тоном называют такое свойство цвета, которое позволяет глазу человека воспринимать и определять красный, желтый, синий и другие спектральные цвета. Он определяется длиной волны. Цветовых тонов существует значительно больше, чем названий для них.

Основным, естественным рядом цветовых тонов является солнечный спектр, в котором цветовые тона располагаются так, что постепенно и непрерывно переходят один в другой; красный через оранжевый переходит в желтый, далее через светло-зеленый и темно-зеленый — в голубой, затем в синий и, наконец, в фиолетовый.

Светлота — это свойство цветной поверхности отражать большее или меньшее количество падающих лучей света. При большем отражении света мы воспринимаем цвет поверхности как светлый, при меньшем — как темный. Это свойство является общим для всех тонов, как хроматических, так и ахроматических, поэтому по светлоте можно сравнивать любые тона. К хроматическому цвету любой светлоты легко подобрать подобный ему по светлоте ахроматический тон.

Для практических целей при определении светлоты пользуются так называемой серой шкалой, которая состоит из набора выкрасок ахроматических тонов, постепенно переходящих от наиболее черного, темно-серого, серого и светло-серого к почти белому. Эти выкраски наклеены между отверстиями в картоне, против каждой выкраски обозначен коэффициент отражения данного тона. Шкалу накладывают на исследуемую поверхность и, сопоставляя ее с вы-краской, просматриваемой через отверстия шкалы, определяют светлоту.

Насыщенностью хроматического цвета называют степень отличия этого цвета от ахроматического серого, равного ему по светлоте.

Это свойство хроматических цветов можно представить яснее, прибавляя к какому-либо спектральному цвету, например желтому, немного серого, равного ему по светлоте. В этом случае цветовой тон не изменится, так как прибавляемый ахроматический тон не имеет цветового тона, не изменится и светлота цветового тона, так как добавляемый серый равен ему по светлоте. Но полученный желтый цвет будет заметно отличаться от первоначального—он посереет, станет менее желтым. Продолжая дальнейшее прибавление серого тона к желтому, получают ряд промежуточных желтых цветовых тонов, все более серых, вплоть до того, что желтый цвет будет едва заметным. Таким образом, при прибавлении к желтому цвету серого насыщенность желтого цвета непрерывно снижается до минимально возможного.

Предельно насыщенными, а следовательно, и чистыми являются цвета спектра. Остальные хроматические цвета тем насыщенней, чем чище и ближе к спектральным.

Снижение насыщенности цветовых тонов достигается прибавлением не только серого тона, но и любого ахроматического — от черного до белого. При прибавлении черного получают темно-зеленые, темно-синие, коричневые, а белого — розовые, бледно-зеленые, светло-голубые тона. При постепенном прибавлении белого одновременно с уменьшением насыщенности возрастает светлота.

Смешение цветов. Восприятие цветов, которые мы видим вокруг себя, вызывается действием на глаз сложного цветового потока, состоящего из световых волн различной длины. Но впечатление пестроты и многоцветности не создается, гак как глаз обладает свойством смешивать разнообразные цвета.

Для изучения законов смешивания цветов пользуются приборами и приемами, дающими возможность смешивать цвета в различной пропорции.

С помощью трех проекционных фонарей с лампами достаточной мощности и трех светофильтров — синего, зеленого и красного — можно получить различные смешанные цвета. Для этого перед объективом каждого фонаря устанавливают светофильтры и направляют цветовые пучки на белый экран. При попарном наложении цветовых пучков на один и тот же участок получают три разнообразных цвета: сочетание синего и зеленого дает голубое пятно, зеленого и красного — желтое, красного и синего — пурпурное. В центре, где все три цветовые пучка взаимно перекрываются, при соответствующей регулировке интенсивности световых пучков с помощью диафрагм или серых светофильтров можно получить белое пятно.

Простой прибор для смешивания цветов — это вертушка-юла. Два бумажных кружка разного цвета, надрезанные по радиусу и имеющие одинаковый диаметр, вставляют один в другой. При этом образуется двухцветный диск, в котором, перемещая кружки, можно изменять величину цветных секторов. Собранный диск надевают на ось вертушки и приводят в движение. От быстрого чередования цвет двух секторов сливается в один. Создается впечатление, что кружок одноцветный. В лабораторных условиях обычно пользуются вертушкой с электродвигателем, имеющим скорость вращения не менее 2000 об/мин.

С помощью вертушки можно смешать несколько цветов, совмещая одновременно соответствующее количество разноцветных дисков.

В практике широко применяют пространственное смешение цветов, которое основано на получении зрительного эффекта в результате смешения двух или более цветов, расположенных близко один к другому и рассматриваемых с достаточно большого расстояния.

На принципе пространственного смешения цветов построено применение в отделочных работах накатывания разноцветных рисунков по цветному фону, набрызг и т. п.

Описанные способы смешения цветов являются оптическими, так как цвета складываются или сливаются в один суммарный цвет на сетчатке нашего глаза. Этот вид смешения носит название слагательного, или аддитивного.

Но не всегда при смешении двух хроматических цветов получается смешанный хроматический цвет. В отдельных случаях, если один из хроматических цветов дополнить специально подобранным к нему другим хроматическим цветом и смешать их в строго определенной пропорции, может получиться ахроматический тон. Если при этом были использованы хроматические цвета, близкие по чистоте цветового тона к спектральным, получающийся новый цвет окажется белым или светло-серым. Если пропорциональность при смешении нарушена, цветовой тон окажется того цвета, которого было взято больше, причем насыщенность тона понизится.

Два хроматических цвета, образующих при смешении в определенной пропорции ахроматический тон, называются взаимно дополнительными цветами. Смешение дополнительных цветов никогда не может дать нового цветового тона. В природе существует множество пар взаимно дополнительных цветов, но для практических целей из основных пар дополнительных цветов создают цветовой круг из восьми цветов, в котором взаимно дополнительные цвета размещают на противоположных концах одного диаметра.

В этом круге красному цвету соответствует дополнительный голубовато-зеленый, оранжевому — голубой, желтому — синий, желто-зеленому— фиолетовый. Следует отметить, что в любой паре дополнительных цветов один всегда принадлежит к группе теплых, а другой — к группе холодных.

В зависимости от того, в пределах какого интервала расположены цветовые тона, их сочетания приобретают большую или меньшую гармонию. Наиболее гармоничны цветовые тона, расположенные в пределах больших и малых интервалов, наименее — в пределах средних интервалов (1/4 окружности).

Помимо слагательного существует вычитательное, или механическое, смешение цветов. Этот вид смешения в отличие от оптического состоит в механическом смешении красок непосредственно на палитре, красочных составов — в емкостях или же в нанесении двух красочных прозрачных слоев один на другой (лессировка).

При механическом смешении красок получается не оптическое сложение цветных лучей на сетчатке глаза, а наоборот, вычитание из белого луча, освещающего нашу цветную смесь, тех лучей, которые поглощаются цветными частицами красок. Так, при освещении белым лучом света предмета, окрашенного цветной смесью пигментов синего и желтого цвета, например берлинской лазурью и желтым кадмием, синие частицы берлинской лазури поглотят красные,, оранжевые и желтые лучи, а желтые частицы кадмия — фиолетовые, синие и голубые. Непоглощенными останутся зеленые и близкие к ним голубовато-зеленые и желто-зеленые лучи, которые, отразившись от предмета, и будут восприняты сетчаткой нашего глаза.

Примером вычитательного смешения цветов может служить луч света, пропущенный через три стекла — желтого, голубого и пурпурного цветов, — поставленных одно за другим, и направленный на белый экран. В местах перекрытия двух стекол — пурпурного и желтого — получится красное пятно, желтого и голубого — зеленое,, голубого и пурпурного — синее. В местах же одновременного перекрытия трех цветов появится черное пятно.

Читайте:  Здравствуй весенняя первая травка

Количественная оценка цвета. Для цветового тона, чистоты цвета и отражения цветом света установлены количественные оценки.

Цветовой тон определяется длиной его волны и лежит в пределах от 380 до 780 нм. Условно цветовой тон обозначают греческой буквой к (ламбда).

Такое определение цвета можно изобразить графически в виде диаграммы, в свое время построенной Исааком Ньютоном. Диаграмма представляет собой окружность, по которой в спектральной последовательности расположены основные цвета спектра. Круг замыкается смешанным красно-фиолетовым (пурпурным) цветом. В центре круга помещается белый тон с Р = 0,0. От центра к основной окружности расположились на равном расстоянии пять кон-Центрических кругов с отметками, обозначающими чистоту спектральных цветов, — 0,2; 0,4; 0,6; 0,8. По радиусам, идущим от центра к части окружности, обозначающей тот или иной спектральный цвет, располагается этот же спектральный цвет, но с различной чистотой от белого до спектрально чистого. На рис. 55 точкой обозначено расположение на диаграмме светло-оранжевого цвета с длиной волны к = 600 нм и чистотой цвета Р = 0,4.

В настоящее время действует система графического определения цвета, построенная в прямоугольных координатах на основе трех основных цветов — красного, зеленого и синего.

Третья количественная оценка цвета — коэффициент отражения цветом света, который условно обозначается греческой буквой g (ро). Он всегда меньше единицы. Коэффициенты отражения окрашенных или облицованных различными материалами поверхностей оказывают огромное влияние на освещенность помещений и всегда принимаются во внимание при проектировании отделки зданий различного назначения. С увеличением чистоты цвета коэффициент отражения уменьшается, и наоборот, с потерей цветом чистоть! и приближением его к белому коэффициент отражения увеличивается.

Рабочим, занимающимся отделкой помещений, необходимо знать коэффициенты отражения света различными материалами, используемыми при окрасках, оклеивании обоями, облицовке поверхностей.

При окраске и облицовке поверхностей применяют цвета, отражающие свет в следующих процентах: потолки — 70—85; стены (верхняя часть) —60—80; стены (панели) —50—65; мебель и оборудование— 50—65; полы — 30—50. При этом матовые окраски и облицовки с диффузным (рассеянным) отражением света создают условия наиболее равномерного (без бликов) освещения, что обеспечивает нормальные условия для органов зрения.

Источник

Поглощение света

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА — уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через среду, заполненную в вом. Осн. законом, описывающим поглощение, явл. з а к о н Б у г е р а J=J0 ехр( кll), связывающий интенсивность I пучка света, прошедшего слой… … Физическая энциклопедия

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… … Большой Энциклопедический словарь

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА — ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА, уменьшение интенсивности света, проходящего через среду, вследствие взаимодействия его с частицами среды. Сопровождается нагреванием вещества, возбуждением или ионизацией атомов или молекул, фотохимическими процессами и т.д.… … Современная энциклопедия

Поглощение света — осуществляется верхними биогоризонтами биоценозов; свет, прошедший через толщу листьев, теряет свою интенсивность, при этом в разных частях спектра по разному. Так, в сомкнутом дубовом лесу к поверхности почвы красных лучей (0,730 мкм) приходит… … Экологический словарь

поглощение света — Превращение энергии светового излучения в другую форму энергии в результате взаимодействия её с веществом [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики науки технические другие EN luminous absorption DE … Справочник технического переводчика

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. Поглощённая… … Энциклопедический словарь

поглощение света — šviesos sugertis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos, sklindančios medžiagoje, energijos sumažėjimas dėl jos virtimo vidine medžiagos energija arba antrinio spinduliavimo energija, turinčia kitokią spektrinę sudėtį … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

поглощение света — šviesos sugertis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos, sklindančios terpe ar medžiaga ir virstančios vidine terpės ar medžiagos energija arba kitokios sudėties ir kitos sklidimo krypties antrinės spinduliuotės… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

поглощение света — šviesos absorbcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Šviesos, sklindančios medžiagoje, intensyvumo sumažėjimas. atitikmenys: angl. light absorption; luminous absorption rus. поглощение света … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

поглощение света — šviesos sugertis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light absorption; luminous absorption vok. Lichtabsorption, f rus. поглощение света, n pranc. absorption de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Источник

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА, умень­ше­ние ин­тен­сив­но­сти све­та при про­хо­ж­де­нии че­рез ве­ще­ст­во вслед­ст­вие его взаи­мо­дей­ст­вия с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва. Элек­тро­маг­нит­ное по­ле све­то­вой вол­ны воз­бу­ж­да­ет до­пол­нит. ко­ле­ба­ния элек­тро­нов и ио­нов ве­ще­ст­ва, на что рас­хо­ду­ет­ся энер­гия. Час­тич­но она воз­вра­ща­ет­ся в ви­де вто­рич­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. В тер­ми­нах кван­то­вой тео­рии про­цесс П. с. свя­зан с пе­ре­хо­дом элек­тро­нов в ато­ма­х и мо­ле­ку­лах, по­гло­щаю­щих из­лу­че­ние, с низ­ких уров­ней энер­гии на бо­лее вы­со­кие. Об­рат­ный пе­ре­ход в ос­нов­ное или ниж­нее воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние мо­жет со­вер­шать­ся с из­лу­че­ни­ем фо­то­на или бе­зыз­лу­ча­тель­но, или ком­би­ни­ро­ван­ным пу­тём, при­чём спо­соб об­рат­но­го пе­ре­хо­да оп­ре­де­ля­ет, в ка­кой вид энер­гии пе­ре­хо­дит энер­гия по­гло­щён­но­го све­та.

Обыч­но ин­тен­сив­ность све­та I умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем про­хо­ди­мо­го в ве­ще­ст­ве рас­стоя­ния l по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну: I=Iе –α l , где I – на­чаль­ная ин­тен­сив­ность све­та, α – по­ка­за­тель по­гло­ще­ния, за­ви­ся­щий от про­зрач­но­сти сре­ды. Этот за­кон экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­лен П. Бу­ге­ром в 1729 и тео­ре­ти­че­ски вы­ве­ден И. Лам­бер­том в 1760 (см. Бу­ге­ра – Лам­бер­та – Бе­ра за­кон).

За­ви­си­мость по­ка­за­те­ля по­гло­ще­ния α от дли­ны вол­ны све­та λ на­зы­ва­ет­ся спек­тром по­гло­ще­ния ве­ще­ст­ва. Спектр по­гло­ще­ния изо­ли­ро­ван­ных ато­мов (напр., ато­мов раз­ре­жен­ных га­зов) со­сто­ит из уз­ких спек­траль­ных ли­ний, т. е. по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α от­ли­чен от ну­ля толь­ко в оп­ре­де­лён­ных уз­ких диа­па­зо­нах длин волн (ши­ри­ной 0,1–1 нм), со­от­вет­ст­вую­щих час­то­там собств. ко­ле­ба­ний элек­тро­нов внут­ри ато­мов. Мо­ле­ку­ляр­ный спектр по­гло­ще­ния, оп­ре­де­ляе­мый ко­ле­ба­ния­ми ато­мов в мо­ле­ку­лах, со­сто­ит из по­лос по­гло­ще­ния (ши­ри­ной 10 нм – 10 мкм). По­гло­ще­ние твёр­дых тел ха­рак­те­ри­зу­ет­ся, как пра­ви­ло, очень ши­ро­ким диа­па­зо­ном длин волн (10–100 мкм) с боль­шим зна­че­ни­ем α. Ка­че­ст­вен­но это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в кон­ден­си­ров. сре­дах силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду час­ти­ца­ми при­во­дит к бы­ст­рой пе­ре­да­че энер­гии, от­дан­ной све­том од­ной из них, все­му кол­лек­ти­ву час­тиц. Все эти час­ти­цы из­лу­ча­ют на несколько раз­ли­чаю­щих­ся час­то­тах, в ре­зуль­та­те че­го спектр ста­но­вит­ся ши­ро­ким.

В про­во­дя­щих сре­дах (ме­тал­лах, плаз­ме) взаи­мо­дей­ст­вие со све­том в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет­ся сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми, по­это­му α за­ви­сит от элек­тро­про­вод­но­сти сре­ды. П. с. в про­во­дя­щих сре­дах силь­но влия­ет на все про­цес­сы рас­про­стра­не­ния све­та в них; фор­маль­но это учи­ты­ва­ет­ся тем, что член, со­дер­жа­щий α, вхо­дит в вы­ра­же­ние для ком­плекс­но­го по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сре­ды. Па­даю­щая све­то­вая вол­на по­гло­ща­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью в тон­ком (ок. 10 нм) слое; её энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию дви­же­ния элек­трон­ной плаз­мы. Дви­жу­щие­ся элек­тро­ны из­лу­ча­ют, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся от­ра­жён­ная вол­на, уно­ся­щая до 99% энер­гии (под­роб­нее см. в ст. Ме­тал­ло­оп­ти­ка). Тем не ме­нее мож­но сде­лать та­кой тон­кий слой зо­ло­той фоль­ги, что он бу­дет час­тич­но про­пус­кать свет. Мож­но так­же на­пы­лить тон­кий слой се­реб­ра на стек­ло или др. про­зрач­ную под­лож­ку, и это бу­дет час­тич­но про­пус­каю­щим (ок. 30%) и час­тич­но от­ра­жаю­щим (ок. 30%) по­кры­ти­ем, ис­поль­зуе­мым в ка­че­ст­ве све­то­де­ли­те­ля. Ос­таль­ные ≈40% све­та по­гло­ща­ют­ся.

Ко­гда свет по­гло­ща­ет­ся мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва, рас­тво­рён­но­го в прак­ти­че­ски не по­гло­щаю­щем рас­тво­ри­те­ле, или мо­ле­ку­ла­ми га­за, по­ка­за­тель α ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ным чис­лу по­гло­щаю­щих мо­ле­кул на еди­ни­це дли­ны пу­ти све­то­вой вол­ны, или, что то же, в еди­ни­це объ­ё­ма, за­пол­нен­но­го про­хо­дя­щим све­том, т. е. про­пор­цио­на­лен кон­цен­тра­ции С рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва (ус­та­нов­ле­но нем. учёным А. Бе­ром, 1852). В ре­аль­ных га­зах и рас­тво­рах это вы­пол­ня­ет­ся не все­гда.

Читайте:  Правила того что нельзя делать на природе правила

Спек­тры по­гло­ще­ния мо­гут быть на­столь­ко ин­ди­ви­ду­аль­ны­ми, что по ним мож­но эф­фек­тив­но кон­тро­ли­ро­вать хи­мич. со­став рас­тво­ров. Напр., аде­к­ват­ным спо­со­бом про­вер­ки под­лин­но­сти ал­ко­голь­ной про­дук­ции яв­ля­ет­ся из­ме­ре­ние спек­тров по­гло­ще­ния, ин­ди­ви­ду­аль­ных не толь­ко для про­из­во­ди­те­лей, но и для поч­вы, на ко­то­рой рос ви­но­град.

При вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях све­та на­чи­на­ют про­яв­лять­ся не­ли­ней­ные эф­фек­ты, α ста­но­вит­ся функ­ци­ей ин­тен­сив­но­сти све­та и за­кон Бу­ге­ра на­ру­ша­ет­ся (не­ли­ней­ное П. с.). Та­кие эф­фек­ты мо­гут про­ис­хо­дить и при од­но­вре­мен­ном по­гло­ще­нии не­сколь­ких фо­то­нов (см. Мно­го­фо­тон­ное по­гло­ще­ние све­та). Ин­тен­сив­ность флук­туи­рую­ще­го по­то­ка фо­то­нов при этом ста­би­ли­зи­ру­ет­ся; изъ­я­тие фо­то­нов из ис­ход­но­го пуч­ка мо­жет про­ис­хо­дит пáрами (двух­фо­тон­ное по­гло­ще­ние), трой­ка­ми и т. д. Про­ре­жи­ва­ние пуч­ка про­ис­хо­дит в мес­тах наи­боль­шей кон­цен­тра­ции фо­то­нов, т. е. во флук­туа­ци­он­ных вспле­сках ин­тен­сив­но­сти. В ре­зуль­та­те вспле­ски сгла­жи­ва­ют­ся и по­ток фо­то­нов ста­но­вит­ся бо­лее ре­гу­ляр­ным. В та­ких не­ли­ней­ных про­цес­сах эф­фек­тив­ность по­дав­ле­ния фо­тон­ных флук­туа­ций не­вы­со­ка, тем не ме­нее они по­зво­ля­ют сни­зить фо­тон­ные шу­мы да­же ни­же уров­ня шу­ма иде­аль­но­го ла­зе­ра, что осо­бен­но важ­но в сверх­точ­ных оп­тич. из­ме­ре­ни­ях.

Про­ти­во­по­лож­ным про­цес­сом яв­ля­ется не­ли­ней­ный на­сы­ще­ния эф­фект, обу­слов­лен­ный тем, что очень боль­шая до­ля по­гло­щаю­щих час­тиц, пе­рей­дя в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и ос­та­ва­ясь в нём срав­ни­тель­но дол­го, те­ря­ет спо­соб­ность по­гло­щать свет, что за­мет­но из­ме­ня­ет ха­рак­тер П. с. сре­дой. Ко­гда поч­ти все элек­тро­ны ве­ще­ст­ва под дей­ст­ви­ем све­та пе­ре­хо­дят в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и по­гло­щаю­щих час­тиц нет, на­сту­па­ет т. н. про­свет­ле­ние среды – прак­ти­че­ски пол­ное от­сут­ст­вие по­гло­ще­ния (см. Про­свет­ле­ния эф­фект).

Ес­ли в по­гло­щаю­щей сре­де ис­кус­ст­вен­но соз­да­на ин­вер­сия на­се­лён­но­стей, то ка­ж­дый фо­тон из па­даю­ще­го по­то­ка име­ет бóльшую ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­вать ис­пус­ка­ние точ­но та­ко­го же фо­то­на, чем быть по­гло­щён­ным са­мо­му (см. Вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние). В этом слу­чае ин­тен­сив­ность вы­хо­дя­ще­го све­та пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го, т. е. име­ет ме­сто уси­ле­ние све­та, а по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α ста­но­вит­ся от­ри­ца­тель­ным, по­это­му та­кое яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся от­ри­ца­тель­ным П. с. На нём ос­но­ва­но дей­ст­вие кван­то­вых ге­не­ра­то­ров (ла­зе­ров) и кван­то­вых уси­ли­те­лей.

Не­ли­ней­ные эф­фек­ты по­гло­ще­ния мо­гут про­яв­лять­ся не толь­ко при боль­ших ин­тен­сив­но­стях из­лу­че­ния. Напр., для са­мо­про­из­воль­но­го по­тем­не­ния солн­це­за­щит­ных оч­ков с ме­няю­щей­ся про­зрач­но­стью дос­та­точ­но яр­ко­го сол­неч­но­го све­та.

П. с. ис­поль­зу­ет­ся в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки. На нём ос­но­ва­ны осо­бо вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ные ме­то­ды ко­ли­че­ст­вен­но­го и ка­че­ст­вен­но­го хи­мич. ана­ли­за (в ча­ст­но­сти, аб­сорб­ци­он­ный спек­траль­ный ана­лиз), спек­тро­фо­то­мет­рия, ко­ло­ри­мет­рия и др. Вид спек­тра П. с. уда­ёт­ся свя­зать с хи­мич. струк­ту­рой ве­ще­ст­ва; по ви­ду спек­тра мож­но так­же ис­сле­до­вать ха­рак­тер дви­же­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, вы­яс­нить зон­ную струк­ту­ру по­лу­про­вод­ни­ков и др.

Источник

Что поглощает свет в природе

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 поглощенияфизическая 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.

Источник