Поглощение (абсорбция) света

Поглощением (абсорбцией) светаназыва­ется 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 законом Бугера:

I=I₀е^-ax, (187.1)

где I₀ и I — интенсивности плоской моно­хроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, a — коэффициент поглоще­ния,зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света. При х=1/a интенсивность света I по сравнению с I₀ уменьшается в е раз.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны l (или частоты w) и 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 10^-12—10^-11 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 10^-10— 10^-7м).

Коэффициент поглощения для диэлек­триков невелик (примерно 10^-3— 10^-5см^-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в опреде­ленных интервалах длин волн, когда а резко возрастает, и наблюдаются сравни­тельно широкие полосы поглощения, 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 10³—10⁵ 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.

На рис. 271 представлены типичная зависимость коэффициента поглощения а от длины волны света X 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 ве­щества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглоще­ния от 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.

Явление поглощения широко использу­ется в абсорбционном спектральном ана­лизесмеси 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.

Эффект Доплера

Эффект Доплера в акустике (см. § 159) объясняется тем, что частота колебаний, воспринимаемых приемником, определяет­ся скоростями движения источника коле­баний и приемника по отношению к среде, являющейся носителем звуковых волн. Эффект Доплера наблюдается также и для световых волн. Так как особой сре­ды, служащей носителем электромагнит­ных волн, не существует, то частота свето­вых волн, воспринимаемых приемником (наблюдателем), определяется только от­носительной скоростью источника и при­емника (наблюдателя).

Согласно принципу относительности Эйнштейна (см. §35), уравнение световой волны во всех инерциальных системах от­счета одинаково по форме. Используя пре­образования Лоренца (см. §36), можно получить уравнение волны, посылаемой источником, в направлении приемника в другой инерциальной системе отсчета, а следовательно, и связать частоты свето­вых волн, излучаемых источником (v₀) и воспринимаемых приемником (v). Теория относительности приводит к следующей форме, описывающей эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме:

где v — скорость источника света относи­тельно приемника, с — скорость света в вакууме, b=v/c, q— угол между векто­ром скорости v и направлением наблюде­ния, измеряемый в системе отсчета, свя­занной с наблюдателем.

Из выражения (188.1) следует, что при q=0

Формула (188.2) определяет так называе­мый продольный эффект Доплера,наблю­даемый при движении приемника вдоль линии, соединяющей его с источником. При малых относительных скоростях v (v<<с), разлагая (188.2) в ряд по степе­ням b и пренебрегая членом порядка b², получим

v=v₀(l-b)=v₀(l-v/c). (188.3)

Следовательно, при удалении источни­ка и приемника друг от друга (при их положительной относительной скорости) наблюдается сдвиг в область более длин­ных волн (v<v₀, l>l₀) — так называе­мое красное смещение.При сближении же источника и приемника (при их отрица­тельной относительной скорости) наблю­дается сдвиг в область более коротких волн (v>v₀, l<l₀) — так называемое фиолето­вое смещение.

Если q=p/2, то выражение (188.1) примет вид

Формула (188.4) определяет так называе­мый поперечный эффект Доплера,наблю­даемый при движении приемника перпен­дикулярно линии, соединяющей его с источником.

Из выражения (188.4) следует, что поперечный эффект Доплера зависит от b², т. е. при малых b является эффектом второго порядка малости по сравнению с продольным эффектом, зависящим от b (см. (188.3)). Поэтому обнаружение по­перечного эффекта Доплера связано с большими трудностями. Поперечный эффект, хотя и много меньше продольного, имеет принципиальное значение, так как не наблюдается в акустике (при v<<с из (188.4) следует, что v=v₀!), и является, следовательно, чисто релятивистским эф­фектом. Он связан с замедлением течения времени движущегося наблюдателя. Эк­спериментальное обнаружение поперечно­го эффекта Доплера явилось еще одним подтверждением справедливости теории относительности; он был обнаружен в 1938г. в опытах американского физика Г. Айвса.

Продольный эффект Доплера был впервые обнаружен в 1900 г. в лаборатор­ных условиях русским астрофизиком А. А. Белопольским (1854—1934) и повто­рен в 1907 г. русским физиком Б. Б. Голи­цыным (1862—1919). Продольный эффект Доплера используется при исследовании атомов, молекул, а также космических тел, так как по смещению частоты световых колебаний, которое проявляется в виде смещения или уширения спектральных ли­ний, определяется характер движения из­лучающих частиц или излучающих тел. Эффект Доплера получил широкое распространение в радиотехнике и радио­локации, например в радиолокационных измерениях расстояний до движущихся объектов.