Взаимодействие света с веществом лежит в основе множества физических явлений и технологий, от оптики и спектроскопии до фотохимии и полупроводниковых приборов. Под «светом» здесь подразумевается электромагнитное излучение в широком диапазоне частот — от инфракрасного до ультрафиолетового. Взаимодействие света с веществом определяется характером электронных, колебательных и спиновых состояний атомов и молекул, а также структурой и симметрией кристаллической решетки.
Поглощение света — процесс, при котором энергия фотона передается веществу, вызывая переход электрона на более высокий энергетический уровень. В атомных системах такие переходы подчиняются правилам квантовой механики:
Eфотона = hν = Eвысший − Eнижний.
Испускание света может происходить спонтанно или индуцировано. Спонтанное испускание приводит к излучению фотона в случайном направлении с характерной скоростью, определяемой временем жизни возбужденного состояния. Индуцированное (стимулированное) излучение лежит в основе лазерной технологии, где фотон с соответствующей энергией вызывает переход электрона с излучением дополнительного фотона, когерентного по фазе и направлению с первоначальным.
Ключевые моменты:
Когда свет распространяется в веществе, скорость его распространения изменяется, что проявляется в явлении преломления. Коэффициент преломления n связан с диэлектрической проницаемостью вещества:
$$ n = \sqrt{\varepsilon_r \mu_r} \approx \sqrt{\varepsilon_r}, $$
так как для немагнитных материалов μr ≈ 1. Преломление объясняется взаимодействием электромагнитного поля света с электронами вещества, вызывая вынужденные колебания, которые в сумме создают замедление распространения волны.
Дисперсия — зависимость коэффициента преломления от частоты света, обусловленная резонансами электронных и колебательных уровней. Она ответственна за разложение белого света в спектр (призма) и критически важна для проектирования оптических систем.
Отражение света происходит на границе раздела двух сред с различными показателями преломления. Основной закон отражения формулируется так:
θотраж = θпадения.
При отражении также учитываются коэффициенты Френеля, зависящие от поляризации света и угла падения:
$$ R_\parallel = \left| \frac{n_2 \cos\theta_i - n_1 \cos\theta_t}{n_2 \cos\theta_i + n_1 \cos\theta_t} \right|^2 $$
$$ R_\perp = \left| \frac{n_1 \cos\theta_i - n_2 \cos\theta_t}{n_1 \cos\theta_i + n_2 \cos\theta_t} \right|^2 $$
Интерференция возникает при наложении когерентных световых волн, что ведет к усилению или ослаблению амплитуды. Принципы интерференции лежат в основе устройства тонких пленок, интерферометров и некоторых спектроскопических методов.
Релеевское рассеяние описывает взаимодействие света с микроскопическими неоднородностями вещества, размерами значительно меньше длины волны. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:
$$ I \sim \frac{1}{\lambda^4}, $$
что объясняет голубой цвет неба.
Комптон-эффект — взаимодействие фотона с свободным или слабо связанным электроном, сопровождающееся изменением длины волны света. Этот эффект подтверждает корпускулярные свойства света.
Раманское рассеяние связано с возбуждением колебательных мод в молекуле и позволяет изучать внутренние энергетические состояния вещества через смещение частоты рассеянного света.
Фотоэлектрический эффект — выбивание электронов из вещества под действием фотонов. Условия проявления эффекта:
hν ≥ Φ
Фотопроводимость проявляется в полупроводниках, где свет создаёт дополнительные носители заряда. Это используется в фотодетекторах, солнечных элементах и различных сенсорных устройствах.
При высокой интенсивности света (лазерные источники) наблюдаются нелинейные эффекты, когда отклик вещества на электромагнитное поле перестает быть пропорциональным его амплитуде:
Эти явления активно используются в современных лазерных технологиях, оптической связи и фотонике.