Поглощение света в металлах обусловлено особенностями их электронной структуры. Металлы обладают высокой плотностью свободных электронов, которые могут легко переходить в возбужденные состояния при взаимодействии с падающим электромагнитным излучением. При этом световая энергия преобразуется в кинетическую энергию электронов, а не передаётся в виде возбуждения атомных или молекулярных уровней, как в диэлектриках.
Свободные электроны в металле описываются моделью свободного электронного газа. В этом приближении поглощение света рассматривается как взаимодействие падающей электромагнитной волны с этими электронами. Наиболее важными являются два механизма:
Эти механизмы определяют спектральную зависимость коэффициента поглощения и объясняют особенности отражения и рассеяния в различных диапазонах частот.
Поглощение света в металлах удобно описывать с помощью комплексного показателя преломления:
ñ = n + iκ,
где
Интенсивность света, проходящего в глубь металла, убывает по закону:
I(z) = I0e−2k0κz,
где $k_0 = \frac{2\pi}{\lambda}$ — волновое число в вакууме, z — глубина проникновения волны.
Мнимая часть κ напрямую связана с коэффициентом поглощения α:
$$ \alpha = \frac{4\pi \kappa}{\lambda}. $$
Таким образом, знание комплексного показателя преломления позволяет количественно описать, насколько быстро убывает электромагнитная волна при прохождении через металл.
Для описания поглощения в металлах в инфракрасной и видимой областях часто применяется модель Друде, основанная на представлении металла как плазмы свободных электронов:
$$ \varepsilon(\omega) = \varepsilon_{\infty} - \frac{\omega_p^2}{\omega(\omega + i\gamma)}, $$
где
На частотах ниже плазменной (ω < ωp) действительная часть диэлектрической проницаемости становится отрицательной. В этом режиме волна не может распространяться в металле: происходит полное отражение и сильное поверхностное затухание.
При этом мнимая часть диэлектрической проницаемости отвечает за диссипацию энергии — то есть фактическое поглощение света.
Из модели Друде можно вывести выражения для n и κ, а также предсказать зависимость отражательной способности от длины волны.
Поскольку электромагнитные волны не могут глубоко проникать в металлы, важной характеристикой является глубина проникновения, или толщина скин-слоя:
$$ \delta = \frac{1}{\alpha} = \frac{\lambda}{4\pi \kappa}. $$
Типичные значения скин-слоя для металлов в видимом диапазоне составляют несколько десятков нанометров. Это означает, что поглощение происходит практически на поверхности металла, и внутрь энергия не проникает.
Скин-эффект становится особенно важным в радиочастотном и инфракрасном диапазонах, где используется в технологиях поверхностного нагрева, микроволновой обработки и экранирования.
Свойства поглощения существенно зависят от длины волны света. В инфракрасной области металлы проявляют свойства почти идеальных отражателей. Однако по мере приближения к ультрафиолетовому диапазону начинают проявляться межзонные переходы, и коэффициент поглощения резко возрастает.
Для многих металлов (например, серебра, меди, золота) наблюдаются характерные резонансы плазменного поглощения, обусловленные возбуждением коллективных колебаний электронов — плазмонов. Эти резонансы сильно влияют на спектральную зависимость оптических коэффициентов.
На высоких частотах (в УФ-диапазоне) наблюдается значительное поглощение, связанное с межзонными переходами. В этом случае фотоны возбуждают электроны из заполненных внутренних энергетических зон (например, d-зоны в меди или золоте) в зону проводимости. Такие переходы описываются квантово-механически и сопровождаются резкими пиками в спектре поглощения.
Это объясняет, почему, например, медь и золото имеют окраску: в области видимого спектра для них наблюдается сильное поглощение на определённых частотах из-за межзонных переходов, в отличие от, скажем, алюминия или серебра, которые отражают почти весь спектр видимого света.
Серебро — один из лучших отражателей в видимом и инфракрасном диапазонах. Обладает низкими потерями и минимальным поглощением при длинных волнах. Однако в ультрафиолете начинает сильно поглощать из-за межзонных переходов.
Золото — обладает значительным поглощением в синей и зелёной части спектра, что придаёт ему характерный жёлто-красный оттенок. Это обусловлено переходами d-электронов в зону проводимости.
Медь — также характеризуется высоким поглощением в синей области спектра, что делает её цветной. Поглощение связано с электронными переходами из d-зоны.
Алюминий — отражает почти весь спектр, однако поглощение быстро возрастает в УФ-диапазоне. Широко используется как зеркальный материал, особенно в ультрафиолете.
Поглощательные свойства металлов зависят от температуры. С увеличением температуры возрастает число столкновений электронов с фононами, что приводит к росту коэффициента поглощения (увеличивается γ в модели Друде). Это особенно важно при рассмотрении теплового излучения и оптической эмиссии металлов.
Примеси, дефекты кристаллической решётки, а также структура поверхности (оксидные плёнки, шероховатость) также могут значительно изменять спектральные характеристики поглощения.
Явление поглощения света в металлах лежит в основе множества технологических процессов:
В области нанофотоники важную роль играют наночастицы металлов, обладающие ярко выраженными резонансами поглощения за счёт плазмонных эффектов. Это находит применение в биомедицинской визуализации, сенсорике и солнечных элементах нового поколения.