Поглощение и рассеяние света

Поглощение света

При поглощении света веществом происходит уменьшение интенсивности оптического излучения.

Основным законом, описывающим поглощение света, является закон         Бугера-Ламберта                                  ,                                         (5.25)

который связывает интенсивность J пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной d,  с интенсивностью падающего пучка J0. Коэффициент аl называют показателем поглощения, который различен для разных длин волн.

Закон Бугера-Ламберта является решением уравнения   .   (5.26)

С современной точки зрения физический смысл его состоит в том, что процесс потери фотонов, характеризующий аl, не зависит от их плотности в световом пучке, т.е. от интенсивности света и от толщины поглощающего слоя d.

Согласно квантовой теории процесс поглощения света связан с переходом электронов в поглощаемых атомах, ионах, молекулах, или твердом теле с более низких энергетических уровней на более высокие.

В световых пучках большой интенсивности закон Бугера-Ламберта не выполняется.

Если в поглощающей среде искусственно создана инверсия  населенности, то каждый фотон из падающего пучка света имеет большую вероятность индуцировать испускание точно такого же фотона, чем быть поглощенным самому (вынужденное излучение).

В этом случае интенсивность выходящего пучка света J превосходит интенсивность падающего света J0, т.е. происходит не поглощение, а усиление света, что используется в квантовых усилителях и квантовых генераторах (лазерах).

Поглощение  света используется в различных областях науки и техники в особо высокочувствительных методах количественного и качественного химического анализа.

Рассеяние света

Изменение какой-либо характеристики потока оптического излучения при его взаимодействии с веществом называют рассеянием света.

Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света.

Во многих случаях оказывается достаточно описать рассеяние света в рамках классической волновой теории излучения, с точки зрения которой падающая волна возбуждает в частицах среды вынужденные колебания электрических зарядов, что приводит к возникновению вторичных световых волн.

В случае оптически однородных веществ рассеивание отсутствует, так как вторичные волны взаимно поглощаются вследствие интерференции.

Обычно рассеяние света наблюдается в оптически неоднородных средах, показатель преломления которых изменяется от точки к точке.

Такими средами являются аэрозоли (туман, дым), эмульсии, коллоидные растворы, матовые стекла и т.д.

Если расстояние между малыми по размеру неоднородностями среды много больше длины волны  падающего света, то излучаемые ими вторичные волны некогерентны и при наложении не могут интерферировать, т.е. неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рэлей показал, что интенсивность J света, рассеянного частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея), т.е.

                                                              J ~l-4.                                                (5.27)

Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощенного фотона, то рассеяние света называют рэлеевским, или упругим.

Последовательное описание рассеяния света возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения (света) с веществом, основанной на квантовой электродинамике и квантовых представлениях о строении вещества.

В этой теории единичный акт рассеяния света рассматривается как поглощение частицей вещества падающего фотона с энергией, импульсом и поляризацией, а затем испускание вторичного фотона с другими значениями энергии, импульса и поляризации. Рассеяние света в кристаллах можно рассматривать как результат дифракции падающего излучения на упругих тепловых волнах гиперзвуковых частот n~1010 Гц (явление Мандельштама - Бриллюэна).

 Комбинационное  рассеяние света

Рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся изменением его частоты, называют комбинационным рассеянием света.

Комбинационное рассеяние света исследовали Рамон, Мандельштам,        Ландсберг, Кришнан и др.

 В отличие от рэлеевского, при комбинационном рассеянии света в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре падающей волны.

Число и расположение возникающих линий определяется молекулярным строением вещества.

При  комбинационном рассеянии света изменение частоты падающего излучения сопровождается переходом рассеиваемых молекул на другие колебательные или вращательные уровни.

Комбинационное рассеяние света с изменением электронного состояния молекул наблюдается в небольшом числе случаев.

В отличие от люминесценции при комбинационном рассеянии света система под действием кванта с энергией e= hn не переходит в возбужденное электронное состояние, поэтому энергия e= hn падающего кванта может быть значительно меньше энергии e= hnе кванта, способного перевести молекулу из основного электронного состояния We0 в возбужденное электронное состояние W10 (рис. 5.12, а).

Комбинационное рассеяние света, возникающее при переходе молекул из невозбужденного колебательного состояния, с колебательным квантовым

числом v=0, в возбужденное состояние с колебательным квантовым числом v=1, v=2 и т.д., называют стоксовым комбинационным рассеянием света (рис. 5.12, б).

Если же молекула до воздействия света находилась в возбужденном состоянии, например, характеризуемом v=1, то при комбинационном рассеянии света она может перейти в невозбужденное колебательное состояние с v=0, причем энергия рассеянного светового кванта hn** > hn - антистоксово комби-национное рассеяние света (рис. 5.12, в).

Все сказанное относится и к комбинационному  рассеянию света с изменением вращательного состояния молекулы, характеризующегося вращательными квантовыми числами.

Соотношения между энергиями падающего и рассеянного фотонов в случае стоксова комбинационного рассеяния света имеет вид

                 hn* = hn - hnк,               (5.28)

а в случае антистоксова комбинационного рассеяния света -

                                               hn** = hn + hnк,                                                (5.29)

где hnк представляет собой энергию возбужденного колебательного (или вращательного) состояния молекулы.

Таким образом, при прохождении излучения сквозь вещество может наблюдаться рассеяние трех видов: когерентное рассеяние без изменения длины волны: рассеяние с потерей энергии, часть которой идет на возбуждение лучеиспускания рассеивающим веществом; рассеяние с увеличением энергии рассеянных фотонов (наблюдается комбинационное рассеяние света).

Квантовая теория объяснила различие интенсивности стоксовых и антистоксовых линий комбинационного рассеяния света. Если в веществе имеется ряд собственных частот n1, n2, n3, ... , колебаний молекул, то в спектре рассеянного света появляется набор комбинационных частот:  n0 ± n1,  n0 ± n2, n0 ± n3, ...  .

Спектры комбинационного рассеяния света получают с помощью специальной оптической установки, в которой падающий пучок света концентрируют на излучаемом веществе. В качестве источника света используют лазер.

 Рассеянный свет наблюдается под углом рассеяния q =900 к направлению падающего пучка света (рис. 5.13), где Л - лазер; К - кювета с рассеивающим веществом или кристалл; N - призма Николя; - электрический вектор падающей световой волны; - индуцированный дипольный момент. Под действием на рассеивающую среду мощного лазерного излучения свойства среды изменяются так, что в ней возникает вынужденное комбинационное рассеяние света.

Закономерности комбинационного рассеяния света используют в молекулярном спектральном анализе при изучении спектров сложных молекул, в том числе и органических соединений.

 Люминесценция

Люминесценцией называют избыточное свечения тела над температурным излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью свечения, значительно превышающей период световых колебаний  Т » 10-15 с.

При этом выполняется закон Стокса: свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем свет, вызывающий люминесценцию.

Закон Стокса непосредственно вытекает из квантовых представлений  о природе света.

Существует много разновидностей люминесценции. По механизму элементарных процессов различают резонансную, спонтанную, метастабильную (вынужденную) и релаксационную люминесценции. Кроме способа возбуждения, к основным характеристикам люминесценции относятся энергия и квантовый выход, кинетика, спектральный состав свечения и возбуждающего света, механизм преобразования энергии.

Люминесцировать могут вещества во всех агрегатных состояниях - газы и пары, растворы органических веществ, стекла, кристаллические вещества и др. Основным условием является наличие дискретного спектра. Вещества с непрерывным энергетическим спектром (например, металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, так как в них энергия возбуждения непрерывным образом переходит в теплоту. Кроме того, для возникновения люминесценции вероятность излучательных переходов должна превышать вероятность безызлучательных.

Для наблюдения люминесценции, например, в реальных кристаллах, необходимо учитывать происходящие в них промежуточные процессы.

Упрощенная схема электронных переходов в кристаллофосфорах представлена на рис. 5.14. Между энергетическими зонами - валентной “В” и проводимости “С” - расположены локальные уровни энергии, связанные с атомами примесей или дефектами решетки; 1 и 2 -уровни центра люминесценции; 3 - ловушки электронов; 4 - уровень безызлучательный рекомбинации; переходы а и б соответствуют возбуждению люминесценции; в - ионизация центра дыркой; г и д - оседание электронов на ловушках и их освобождение.

Люминесценция наблюдается в природе - северное (полярное) сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева и т.д.

Явление люминесценции нашло применение в науке и технике. Люминесцентные источники света используются в виде ламп дневного света, кинескопов телевизоров, осциллографов и другой аппаратуры.