Поглощение света

Поглощение света — это процесс преобразования энергии электромагнитного излучения (в оптическом диапазоне) в другие формы энергии при прохождении света через вещество. Этот феномен лежит в основе множества физических и технологических явлений, включая фототермические и фотоэлектрические эффекты, окраску тел, спектроскопию, а также ограничение видимости в атмосфере и оптические потери в материалах.

Основные физические механизмы поглощения

Поглощение света в веществе обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с заряженными частицами — в первую очередь, электронами. В зависимости от энергетического спектра вещества и частоты падающего излучения возможны следующие механизмы:

  • Электронные переходы в атомах, ионах и молекулах;
  • Переходы между зонами в твердых телах (зонная теория);
  • Фононные и колебательные возбуждения в молекулах;
  • Поглощение за счёт свободных носителей заряда в металлах и плазме;
  • Комбинированные механизмы, включающие резонансные эффекты и процессы многоквантового поглощения.

Закон Бугера–Ламберта–Бера

Количественное описание поглощения света в однородной среде при отсутствии рассеяния и отражения дает закон Бугера–Ламберта–Бера, связывающий интенсивность проходящего излучения с толщиной среды:

I(x) = I0 ⋅ e−αx

где:

  • I0 — начальная интенсивность излучения,
  • I(x) — интенсивность на глубине x,
  • α — коэффициент линейного поглощения [м⁻¹],
  • x — толщина слоя вещества.

Если выражать поглощение через оптическую плотность D, применяют логарифмическую форму:

$$ D = \log_{10} \left(\frac{I_0}{I}\right) = \varepsilon \cdot c \cdot l $$

где:

  • ε — молярный коэффициент экстинкции [л·моль⁻¹·см⁻¹],
  • c — концентрация [моль/л],
  • l — оптическая длина пути [см].

Спектральная зависимость поглощения

Поглощение сильно зависит от частоты света. Спектр поглощения каждого вещества имеет характерные пики, соответствующие переходам между энергетическими уровнями. Эта зависимость часто используется в оптической спектроскопии для определения состава вещества.

Типичные спектры поглощения:

  • В ультрафиолетовом диапазоне — электронные переходы в атомах и молекулах;
  • В видимом диапазоне — переходы валентных электронов, ответственные за окраску;
  • В инфракрасном — колебательные и вращательные уровни молекул.

Положение максимумов и форма спектра зависят от химической структуры, агрегатного состояния и температуры вещества.

Комплексный показатель преломления и поглощение

Поглощение света тесно связано с комплексным показателем преломления:

ñ = n + iκ

где:

  • n — обычный показатель преломления,
  • κ — коэффициент поглощения.

Интенсивность плоской монохроматической волны в такой среде экспоненциально затухает по мере распространения:

E(x) = E0ei(kx − ωt) = E0eink0xe−κk0x

где $k_0 = \frac{2\pi}{\lambda_0}$ — волновое число в вакууме. Коэффициент κ определяет глубину проникновения света и его затухание в веществе.

Поглощательная способность и спектральная плотность

Величина поглощательной способности описывает, какую долю энергии излучения поглощает вещество при определённой длине волны:

A(λ) = 1 − R(λ) − T(λ)

где:

  • R — коэффициент отражения,
  • T — коэффициент пропускания.

Для тел в тепловом равновесии выполняется закон Кирхгофа: поглощательная способность тела при данной частоте равна его излучательной способности.

Механизмы электронного поглощения

Электронное поглощение происходит при переходе электрона на более высокий энергетический уровень. В атомах и молекулах это соответствует переходу с одного энергетического состояния на другое. В твердых телах, таких как полупроводники, возможны:

  • Переходы между валентной и зоной проводимости (ширина запрещённой зоны);
  • Переходы между подзонами или дефектными уровнями.

Материалы с широкой запрещённой зоной прозрачно в видимом диапазоне, а с узкой — сильно поглощают.

Особенности поглощения в различных средах

Газы

Поглощение в газах носит линейчатый характер, обусловленный узкими энергетическими уровнями. Спектры зависят от давления (ширина линий) и температуры (заполнение уровней).

Жидкости

Молекулы в жидкости взаимодействуют друг с другом, вызывая уширение и смещение линий. Спектры становятся полосатыми и гладкими.

Твёрдые тела

В кристаллах действуют зонные механизмы, и спектры становятся непрерывными. Поглощение зависит от кристаллической структуры, дефектов и примесей.

Аномалии поглощения

Аномальное поглощение проявляется вблизи резонансных частот, когда энергия падающего света близка к энергии внутреннего перехода. Возникает сильный пик в спектре α(ω), сопровождаемый резкими изменениями показателя преломления (анализируется в рамках дисперсионной теории).

При этом наблюдается:

  • Усиленное ослабление волны;
  • Эффекты аномальной дисперсии;
  • Повышенное тепловыделение в веществе.

Тепловое действие света

Поглощённая энергия приводит к возбуждению колебательных и вращательных состояний молекул, что вызывает нагрев вещества. Это лежит в основе:

  • Фотоакустического эффекта;
  • Оптической пирометрии;
  • Теплового разрушения материалов при интенсивном излучении.

Примеры практического использования

  • Солнечные батареи — поглощение света полупроводником с последующим преобразованием в электрический ток;
  • Фильтры — селективное поглощение света определённого диапазона;
  • Лазерная хирургия — локальное поглощение света тканями;
  • Оптические краски и пигменты — селективное поглощение определённых длин волн.

Оптические толщины и глубина проникновения

Параметр глубины проникновения (δ) определяет расстояние, на котором интенсивность убывает в e раз:

$$ \delta = \frac{1}{\alpha} $$

В сильно поглощающих средах δ может составлять доли микрона, в прозрачных — метры и более. Эта величина важна для оценки эффективности оптических покрытий, толщины активных слоёв фотоприёмников и чувствительности спектроскопических методов.

Оглавление