Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
СОВРЕМЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ТЕЛЕВИЗОРЫ
Достоинства новейших лазерных телевизоров, только недавно появившихся на западных рынках
Не успел рядовой потребитель толком порадоваться современным плазменным или жидкокристаллическим телевизорам, как на смену пришли новейшие лазерные телевизоры.
Придется ли в ближайшем будущем отказываться от так понравившейся Плазмы? Далее...

Laser TV

поглощение света

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА - уменьшение интенсивности оптич. излучения при прохождении через к--л. среду за счёт взаимодействия с ней, в результате к-рого световая энергия переходит в др. виды энергии или в оптич. излучение др. спектрального состава. Осн. законом П. с., связывающим интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучка I0, является закон Бугера15060-1.jpg Не зависящий от интенсивности света коэф.15060-2.jpg наз. показателем поглощения, причём15060-3.jpg как правило, различен для разных длин волн15060-4.jpg Этот закон был экспериментально установлен П. Бугером (P. Bouguer, 1729) и впоследствии теоретически выведен И. Ламбертом (J. Н. Lambert, 1760) при очень простых предположениях, что при прохождении любого слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на определённую долю, зависящую только от15060-5.jpg и толщины слоя l, т. е. dI/l =15060-6.jpg Решением этого ур-ния и является Бугера - Ламберта - Бера закон. Физ. смысл его состоит в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде, характеризуемый15060-7.jpg не зависит от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света, и от толщины поглощающего слоя l. Это справедливо при не слишком больших интенсивностях излучения (см. ниже).
Зависимость15060-8.jpg от длины волны света15060-9.jpg называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолир. атомов (напр., разреженные газы) имеет вид узких линий, т. е.15060-10.jpg отличен от нуля только в нек-рых узких диапазонах длин волн (сотые - тысячные доли нм), соответствующих частотам собств. колебаний электронов внутри атомов. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в них, состоит из существенно более широких областей длин волн (т. н. полосы поглощения, десятые доли - сотни нм; см. Молекулярные спектры ).Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм) с большим значением15060-11.jpg ; качественно это объясняется тем, что в конденснр. средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них.
Качеств. картина процессов взаимодействия излучения с веществом, происходящих на атомном уровне и приводящих к П. с., может быть получена в рамках квазиклассич. подхода. В основе его лежит модель, рассматривающая атомы как совокупность гармонич. осцилляторов: электроны в атомах (молекулах) колеблются около положения равновесия. Такая модель приемлема для разреженных газов и паров металлов, где можно не учитывать влияния соседних атомов. Для жидких и твёрдых тел такая модель непригодна, т. к. поведение электронов, определяющих оптич. свойства атома, резко меняется под действием полей соседних атомов.
Спонтанное испускание атомов осцилляторной модели соответствует свободным (затухающим) колебаниям электронов. Собств. частоты этих колебаний vnm задаются 2-м постулатом Бора:15060-12.jpg где15060-13.jpg и15060-14.jpg - уровни энергии атома, между к-рыми совершается квантовый переход с испусканием света на частоте vnm.
При распространении в среде света, падающего на неё извне, колебания электронов в атомах носят вынужденный характер и совершаются с частотой падающей световой волны. При таком подходе П. с. связывается с потерями энергии волны на вынужденные колебания электронов. (Энергия, поглощённая атомом, может переизлучаться или переходить в др. виды энергии.) Световое поле15060-15.jpg падающее на среду, вызывает колебания электронов, описываемые ур-нием

15060-16.jpg

Здесь т0 и е0 - масса и заряд электрона, х - его смещение от положения равновесия,15060-17.jpg15060-18.jpg - коэф., характеризующий затухание. Первый член в (1) описывает силу инерции, второй -15060-19.jpg - тормозящую силу, пропорц. скорости колебат. движения электрона и обусловливающую затухание его колебаний (аналогичную силе трения), третий член - упругую силу, пропорц. смещению электрона от положения равновесия; правая часть ур-ния (1) - вынуждающая сила. Решение этого ур-ния

15060-20.jpg

при ненулевом15060-21.jpg есть величина комплексная, что и свидетельствует о поглощении энергии волны атомом. При комплексной связи вынуждающей силы и отклонения электрона комплексными оказываются, соответственно, и интегральные величины: диэлектрич. проницаемость15060-22.jpg (15060-23.jpg - проводимость,15060-24.jpg - веществ, часть диэлектрич. проницаемости) и показатель преломления15060-25.jpg Мнимая часть величины15060-26.jpg прямо связана с характеристикой поглощающих свойств среды - показателем поглощения15060-27.jpg:15060-28.jpg15060-29.jpg Величина15060-30.jpg являющаяся, как и15060-31.jpg ф-цией длины волны, наз. главным показателем поглощения. Введение комплексных величин15060-32.jpg и15060-33.jpg позволило применить формальное описание, разработанное для прозрачных сред, и к поглощающим средам. Именно с поглощением света связана аномальная дисперсия, к-рая имеет место внутри полосы поглощения (см. Дисперсия света).
При рассмотрении П. с. с квантовой точки зрения вводится такая характеристика энергетич. уровней, как населённость уровня Nn,m - число атомов, находящихся в данном энергетич. состоянии. В этом случае выражение для15060-34.jpg может быть представлено в виде

15060-35.jpg

где разность населённостей уровней п и т15060-36.jpgNm - (gm/gn)Nn (здесь gm и gn - статистич. веса заселённости уровней). Зависимость15060-37.jpg от разности частот15060-38.jpg -15060-39.jpg наз. контуром линии поглощения. В рассмотренном классич. приближении ширина линии поглощения на уровне 0,5 от максимума15060-40.jpg Это т. н. естеств. ширина линии. В реальных средах имеется ряд причин, увеличивающих ширину линии поглощения, иногда во много раз. Гл. причиной уширения линии поглощения в газах служит эффект Доплера, возникающий вследствие беспорядочного движения атомов (см. Уширение спектральных линий).
При спец. условиях возбуждения возможна т. н. инверсная населённость, когда15060-41.jpg т. е. когда населённость верхнего уровня больше населённости нижнего. В этом случае, как видно из (2), меняет знак и показатель поглощения15060-42.jpg - среда характеризуется т. н. отрицательным поглощением. Свет, проходящий через такую среду, не ослабляется, а, наоборот, усиливается. Среды, в к-рых возможно создание (тем или иным способом) инверсной населённости уровней, используются для создания лазеров и усилителей света.
Поскольку поглощение фотона приводит к переводу атома с нижнего уровня на верхний, то процесс поглощения влияет на заселённость энергетич. уровней. При обычно наблюдаемых интенсивностях света количество поглощаемых фотонов намного меньше числа поглощающих атомов, поэтому15060-43.jpg не зависит от интенсивности света. Соответственно, не зависит от неё и15060-44.jpg Однако, если интенсивность падающего на среду света достаточно велика, то в возбуждённое состояние может перейти значит. доля поглощающих атомов. Это приведёт к тому, что и15060-45.jpg и15060-46.jpgбудут зависеть от интенсивности света - возникнет т. н. нелинейное поглощение. В этом случае закон Бугера перестаёт быть справедливым. В пределе, при очень высокой интенсивности падающего света, населённости верх. и ниж. уровней выравниваются и среда перестаёт поглощать свет - просветляется, т. е. свет проходит через такую среду, вообще не испытывая поглощения (см. Самоиндуцированная прозрачности).
При очень высокой интенсивности света возможна и ещё одна особенность П. с. - многофотонное поглощение ,когда в одном акте одновременно поглощается несколько (i)фотонов меньших частот при условии15060-47.jpg
П. с. используется в разл. областях науки и техники. Так, на нём основаны мн. особо высокочувствительные методы количеств. и качеств. хим. анализа, в частности абсорбционный спектральный анализ, спектрофотометрия, колориметрия. Вид спектра П. с. удаётся связать с хим. структурой вещества, по виду спектра поглощения можно исследовать характер движения электронов в металлах, выяснить зонную структуру полупроводников и мн. др.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Королёв Ф. А., Теоретическая оптика, М., 1966; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973.

А. П. Гагарин.

  Предметный указатель