Опр. 5.7. . Поглощением (абсорбцией) света называ­ется явление потери энергии световой во­лной, проходящей через вещество, вслед­ствие преобразования энергии волны в другие формы (внутреннюю энергию вещества и в энергию вторичного излучения других направлений и спектрального состава).

В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается закономБугера: ­ (5.1)

где I 0 и I - интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, а - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

При интенсивность света I по сравнению с I 0 уменьшается в е раз.

Поглощение света становится особенно сильным при приближении его частоты к частотам собственных колебаний электронов в атомах вещества или атомов в молекулах вещества (резонансное поглощение ). Последовательность частот резонансного поглощения может в зависимости от рода и состояния вещества быть дискретной или непрерывной, а также представлять собой их комбинацию. Соответственно этому спектры поглощения называются линейчатыми, сплошными и полосатыми.

Одноатомные газы и пары металлов (т. е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (~10 -12 -10 -11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах – набор отдельных линий с характерными значениями длин волн, обусловленными структурой электронных оболочек атомов данного элемента.

Спектр поглощения молекулярных газов и паров , определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуетсяполосами поглощения - сгруппированные по определенному закону совокупности спектральных линий. Структура этих полос определяется составом и строением молекул. Поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов экспериментального исследования строения молекул.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (~10 -3 -10 -5 см -1), но у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, близких к собственным длинам колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах, когда резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т. е. диэлектрики имеютсплошной спектр поглощения, в пределахкоторых коэффициент поглощения изменяется плавно. Для света всех остальных длин волн диэлектрик практически прозрачен, т.е. близок к нулю. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях.

Коэффициент поглощения для метал­лов имеет большие значения (примерно 10 3 -10 5 см~ 1) и поэтому металлы являют­ся непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, дви­жущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся вы­делением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьша­ется, превращаясь во внутреннюю энер­гию металла. Чем выше проводимость ме­талла, тем сильнее в нем поглощение света.

Окрашенность поглощающих тел объясняется зависимостью коэффициента поглоще­ния от длины волны. Окраска несамосветящихся тел объясняется селективным отражением света от их поверхности и зависит: 1) от оптических свойств поверхности, 2) от спектрального состава падающего света. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться чер­ным.

Это явление используется для изго­товлениясветофильтров, которые в зави­симости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, по­глощая остальные. Разнообразие преде­лов селективного (избирательного) погло­щения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Использу­ется вабсорбционном спектральном ана­лизе смеси газов, основанном на измере­ниях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется соста­вом и строением молекул, поэтому изуче­ние спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Но: при достаточно больших интенсивностях света коэффициент поглощения некоторых диэлектриков начинает убывать с ростом . Это явление можно объяснить только с квантовой точки зрения.

Поглощение света – это уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через среду, заполненную веществом.

Как уже было отмечено ранее, в идеализированной однородной среде колеблющиеся электроны возвращают всю падающую энергию в виде вторичных волн, и поглощения света не происходит. В реальном теле часть падающей световой энергии переходит в другие формы (главным образом, в тепловую ) – наблюдается поглощение света .

Особый интерес представляет случай, когда частота световой волны ω совпадает с частотой собственных колебаний электронов ω о i . При этих частотах энергия световой волны полностью поглощается веществом. Такое явление называется резонансным поглощением света, а соответствующая частота – резонансной . Именно в области резонансного поглощения наблюдается аномальное поведение дисперсии. Вещество, состоящее из атомов или молекул с определенным набором частот собственных колебаний электронов ω о i даст в спектре прошедшего через него света узкие линии поглощения . Коэффициент преломления окажется постоянным в областях, далеких от линий поглощения, и будет быстро меняться с частотой и сильно отличаться от единицы вблизи каждой линии поглощения, где взаимодействие света с веществом велико.

Экспериментальная зависимость показателя преломления n ω о ) представлена на рис. 6-1.

Рис. 6-1. Зависимость показателя преломления n и коэффициента поглощенияот длины волны вблизи одной из резонансных частот (λ о – длина волны, соответствующая резонансной частоте ω о ).

Из экспериментальной зависимости (рис.6-1) следует, что коэффициент преломления n принимает большие значения с длинноволновой стороны полосы поглощения и малые – с ее коротковолновой стороны. Внутри самой полосы поглощения коэффициент преломления убывает с уменьшением длины волны (аномальная дисперсия). Как видно, коэффициент преломления может быть меньше единицы, значит, фазовая скорость волны может превышать скорость света с . Это не противоречит теории относительности, так как скорость передачи энергии равна групповой скорости, которая не превышает значение с (смотри: 1- Приложение; 2- И.В.Савельев. Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 2006 г., с. 461).

Рассмотренные выше соображения справедливы не только для электронов, но и для ионов, причем, ввиду большей массы ионов, классические представления для ионов более обоснованы. В соответствии с теоретическими представлениями было найдено, что все осцилляторы отчетливо подразделяются на две группы: у одной удельные заряды по порядку величины близки к удельному заряду электрона, а у другой – к удельному заряду ионов. (Удельный заряд определяется отношением величины заряда к его массе, т.е. ). Первым соответствуют полосы поглощения, лежащие в ультрафиолетовой (реже в видимой), а вторым – в инфракрасной области спектра. Это связано с тем, что массы атомов в десятки тысяч раз больше массы электрона.

Опыт показывает, что интенсивность I плоской световой волны, прошедшей сквозь прозрачный диэлектрик, обнаруживает уменьшение своего значения согласно закону Бугера (установленного экспериментально Бугером и обоснованного теоретически И. Ламбертом):

Рис.6-2. Иллюстрация к закону поглощения Бугера.

I 0 – интенсивность световой волны, вступающей в вещество, d – толщина слоя вещества, пройденного светом, - коэффициент поглощения , зависящий от длины световой волны, химической природы и состояния вещества.

Коэффициент поглощения – физическая величина, обратно пропорциональная слою вещества, при прохождении которого интенсивность падающего света убывает в е (е = 2,72) раз. При измерении коэффициента поглощения необходимо учитывать, что часть света отражается от границы исследуемого вещества. Закон справедлив при не слишком больших интенсивностях света и только для монохроматического излучения, так как для каждого вещества зависит от длины волны.

В тех случаях, когда поглощение осуществляется молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворителе, коэффициент поглощенияоказывается пропорциональным числу поглощающих молекул в единице объема, т.е. пропорционален концентрации растворенного вещества С и выражается соотношением: , где – новый коэффициент поглощения, не зависящий от концентрации С и характерный только для молекулы поглощающего вещества. Для растворов закон Бугера принимает вид:

где, d – толщина слоя раствора, через который прошел свет. В таком виде закон поглощения принято называть законом Бугера – Ламберта – Бера.

Оптическая плотность (D ) - мера непрозрачности слоя вещества толщиной d для световых лучей; характеризует ослабление оптического излучения в слоях различных веществ (красителях, светофильтрах, растворах, газах и т.п.).

Для не отражающего слоя оптическая плотность равна:
D = lg I 0 /I = , где I – интенсивность излучения, прошедшего поглощающую среду; I 0 – интенсивность падающего излучения. Оптическая плотность может быть определена и как логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания , т.е., D = lg ( 1/).

Коэффициент поглощения и оптическая плотность D связаны соотношением:

Цветные прозрачные тела, красители, растворы обнаруживают селективность (избирательность) поглощения в области видимых лучей, то есть различно поглощают лучи различных длин волн. Например, красными является стекло или раствор, слабо поглощающие красные и оранжевые лучи и сильно поглощающие зеленые и фиолетовые. В общем случае коэффициент зависит от длины волны (или частоты) света. Поглощение велико лишь в области частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах. У веществ, атомы (молекулы) которых практически не взаимодействуют (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок к нулю, и лишь для очень узких областей спектра имеет резкие максимумы (рис.6-3). Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов. Газы при высоких давлениях, жидкости и твердые тела дают широкие полосы поглощения (рис.6-4).

Металлы, как известно, практически непрозрачны для света. Это объясняется тем, что под действием электрического поля световой волны, свободные электроны приходят в движение. А движение электрических зарядов под действием электрического поля – это электрический ток (в рассматриваемом случае - быстропеременный), протекание же электрического тока должно непременно сопровождаться выделением джоулева тепла. Таким образом, при освещении светом металлы просто нагреваются, поскольку наблюдаться происходит превращение световой энергии в тепловую

1.1. Ознакомиться с механизмом поглощения света, изучить основные закономерности поглощения света веществом.

1.1. Построить спектральную кривую поглощения родамина.

2. Ослабление света

Опыт показывает, что при прохождении света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Этот факт является результатом взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, при котором происходит поглощение и рассеяние света, а также отражения света на границах раздела различных сред.

Ослабление = Рассеяние + Поглощение + Отражение

Существование отраженного света на границах раздела различных сред очевидно из установленных опытным путем законов отражения и преломления света. При распространении света сквозь границу двух сред с различными значениями показателя преломления свет частично отражается и частично преломляется. Эти законы теоретически можно вывести в рамках электромагнитной теории света.

2.1. Рассеяние света

Рассеянием света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе из-за изменения направления распространения света. Рассеяние электромагнитных волн любой системой связано с ее неоднородностью либо на молекулярном уровне, либо на уровне скоплений, состоящих из многих молекул. Независимо от типа неоднородности физические принципы рассеяния остаются одинаковыми для всех систем. Вещество состоит из дискретных электрических зарядов. Если на какое-либо препятствие (Рис.1.), которое может быть отдельным электроном, атомом или молекулой, частицей твердого вещества или жидкости, падает электромагнитная волна, то под воздействием электрического поля падающей волны электрические заряды в этом препятствии приходят в колебательное движение. Так как колебательное движение является движением с ускорением, ускоренные электрические заряды излучают электромагнитную энергию во всех направлениях. Именно это вторичное излучение имеющее тот же спектральный состав называют излучением рассеянным препятствием.

Рассеяние = возбуждение + переизлучение.

Рассмотрим оптически однородную среду, т.е. среду в которой оптические свойства в любых точках одинаковы. Покажем, что в такой среде рассеяние света будет отсутствовать и свет распространяется в первоначальном направлении. В однородной среде в одинаковых малых объемах световая волна индуцирует одинаковые когерентные вторичные волны. Пусть через эту среду распространяется плоская монохроматическая волна, как показано на рисунке 2. На волновом фронте АА’ выделим объемV 1 с линейными размерами малыми по сравнению с длиной волныпадающего света, но содержащий достаточно много молекул, чтобы среду можно было рассматривать как сплошную. В направлении, характеризуемом углом, объемV 1 излучает вторичную волну. На волновом фронте АА’ всегда можно выбрать другой объемV 2 , который в том же направлении излучает вторичную волну той же амплитуды, приходящую в точку наблюдения в противофазе с волной отV 1 . Такие волны полностью гасят друг друга в результате интерференции. Из рис.2. видно, что расстояние между выделенными объемами должно быть равноl =(/2)Sin. Взаимное гашение будет иметь место для вторичных волн излучаемых любой парой одинаковых объемов, расположенных на волновом фронте на расстоянииl . Полное гашение вторичных волн происходит для любого угла, кроме=0, так как в этом направлении распространения падающей волны все вторичные волны складываются синфазно и образуют проходящую волну. Этим объясняется, что в однородной среде свет распространяется только в первоначальном направлении, и рассеяние света будет отсутствовать.

При наличии оптической неоднородности среды ослабление световой волны в значительной степени будет определяться рассеянием излучения. Особенно существенным оказывается рассеяние в среде с резкими неоднородностями показателя преломления. Среды, обладающие такими свойствами, принято называть мутными.

Дисперсия света. Поглощение (абсорбция) света.

Одним из результатов взаимодействия света с веществом является его дисперсия.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты.

Дисперсия света представляется в виде зависимости:

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму (рис. 17.25). Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул.

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n (рис. 17.26) под углом .

Рис. 17.25	Рис. 17.26

После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается преломлен от первоначального направления на угол φ. Из рис. следует, что

Предположим, что углы А и малы, тогда углы , , будут также малы и вместо синусов этих углов можно воспользоваться их значениями. Поэтому , , а т.к. , то или .

Отсюда следует, что

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.

Из выражения (17-22) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от показателя преломления n, а n – функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы. Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим, что и наблюдал Ньютон. Таким образом, с помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Рассмотрим различия в дифракционном и призматическом спектрах.

· Дифракционная решетка разлагает свет непосредственно по длинам волн , поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны (частоты). Разложение света в спектр в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения частоты или длины волны света надо знать зависимость или .

· Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно . Мы знаем, что синус угла в дифракционной решетке пропорционален длине волны . Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее . Призма же разлагает лучи света в спектре по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны (т.е. с уменьшением частоты) уменьшается (рис. 10.3).

Поэтому, красные лучи отклоняются призмой слабее, в отличие от дифракционной решетки.

Величина (или ), называемая дисперсией вещества , показывает, как быстро меняется показатель преломления с длиной волны.

Из рис. 17.27 следует, что показатель преломления для прозрачных веществ с увеличением длины волны увеличивается, следовательно величина по модулю также увеличивается с уменьшением λ.Такая дисперсия называется нормальной . Вблизи линий и полос поглощения, ход кривой дисперсии будет иным, а именно n уменьшается с уменьшением λ. Такой ход зависимости n от λ называется аномальной дисперсией. Рассмотрим подробнее эти виды дисперсии.

Нормальная и аномальная дисперсия. Итак, дисперсия света – это зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны . Эта зависимость не линейная и не монотонная. Области значения ν, в которых

соответствуют нормальной дисперсии света (с ростом частоты ν показатель преломления n увеличивается). Нормальная дисперсия наблюдается у веществ, прозрачных для света. Например, обычное стекло прозрачно для видимого света, и в этой области частот наблюдается нормальная дисперсия света в стекле. На основе явления нормальной дисперсии основано «разложение» света стеклянной призмой монохроматоров.

Дисперсия называется аномальной, если

т.е. с ростом частоты ν показатель преломления n уменьшается . Аномальная дисперсия наблюдается в областях частот, соответствующих полосам интенсивного поглощения света в данной среде. Например, у обычного стекла в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра наблюдается аномальная дисперсия.

Зависимости n от ν и λ показаны на рис. 17.28 и 17.29.

Таким образом, при нормальной дисперсии u < υ и .

При аномальной дисперсииu > υ, и, в частности, если , то u > c . Этот результат не противоречит специальной теории относительности. Понятие групповой скорости правильно описывает распространение только такого сигнала (волнового пакета), форма которого не изменяется при перемещении сигнала в среде. (Строго говоря, это условие выполняется только для вакуума, т.е. в недиспергирующей среде). В области частот, соответствующих аномальной дисперсии, групповая скорость не совпадает со скоростью сигнала, так как вследствие значительной дисперсии форма сигнала так быстро изменяется, что не имеет смысла говорить о групповой скоростиПоглощение (абсорбция) света. Поглощением (абсорбцией ) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество .

Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x , имеем

.

Здесь E (x ) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x ; – амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x ; β – коэффициент затухания колебаний; коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

где – интенсивность волны на входе в среду.

При , . Следовательно, коэффициент поглощения – физическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 17.30, а).

а	б

Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 17.30, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

На рис. 17.31 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны ) объясняется окрашенность поглощающих тел . Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Электромагнитная теория света связала между собой оптические и электрические свойства тел. В частности, стало понятным, почему диэлектрики прозрачны, а металлы, наоборот, практически непрозрачны для света. Прозрачность диэлектриков объясняется тем, что в них отсутствуют свободные электроны. Проходящие световые волны могут вызывать лишь колебания связанных в атомах электронов, причем не происходит потери световой энергии. Поглощение велико лишь в областях резонанса. В этих областях, где частота падающей волны близка к собственной частоте атомных вибраторов, начинают играть роль силы «трения», о которых мы уже говорили. Однако повторяем, что за исключением таких областей резонанса диэлектрики прозрачны.

В отличие от диэлектриков проводники непрозрачны и обладают сильным поглощением, обычно почти во всех частях спектра.

В проводниках, как известно, кроме внутриатомных электронов существуют еще так называемые свободные электроны (т. II, § 30, 1959 г.; в пред. изд. § 36). Электрическое поле световой волны вызывает движение свободных электронов, т. е., по существу, переменные токи в проводнике. Из теории электричества нам известно, что движение свободных электронов связано с выделением джоулева тепла. Таким образом, часть световой энергии, ушедшая на движение свободных электронов, превратится в тепло, что и объясняет происходящее поглощение света. Чем выше проводимость проводника, тем сильнее в нем поглощение света.

Металлы, являющиеся хорошими проводниками, уже при толщине пластинки порядка десятых долей миллиметра совершенно непрозрачны.

С сильным поглощением света внутри металлов тесно связан их высокий коэффициент отражения. Если у стекла, как мы видели, коэффициент отражения от поверхности равен 4%, то у металлов он достигает 80-90%. То, что сильному поглощению соответствует высокий коэффициент отражения - «металлическое отражение», особенно отчетливо можно наблюдать, исследуя отражения света от жидкого раствора краски. Поверхность раствора сильно поглощающей краски отражает так же, как и металл, и обладает чисто металлическим блеском.

У большинства твердых и жидких тел области поглощаемых частот (полосы поглощения) гораздо шире, чем у паров и газов, где сказываются собственные частоты внутриатомных колебаний.

Рис. 167. Фраунгоферовы линии в солнечном спектре.

Наиболее важный пример узких полос поглощения, даваемых газом, - это черные фраунгоферовы линии, пересекающие спектр Солнца (рис. 167). Некоторые фраунгоферовы линии объясняются поглощением света атомами газов наружных слоев атмосферы Солнца; некоторые же линии - земного происхождения, т. е. объясняются поглощением в земной атмосфере.

Особый интерес представляют вещества, обладающие ясно выраженным резонансным поглощением, т. е. сильной зависимостью поглощения от длины волны света. Если эти вещества построены из сложных молекул, то играют роль не только собственные колебания электронов, но и колебания атомов, входящих в состав молекул. Существует теснейшая связь между структурой молекул и окраской вещества.

В лепестках цветов найдены вещества, называемые антоцианидинами, вызывающие окраску цветов. На рис. 168 изображена структура молекулы антоцианина (оксониевая соль), окрашивающего в красный цвет розу, на рис. 169 - структура молекул антоцианина (калиевая соль), окрашивающего в синий цвет василек. Мы видим, что достаточно было удалить кислотную группу и заменить один из водородов калием, чтобы произошло радикальное изменение цвета.

Колоссальную роль в природе играет хлорофилл, окрашивающий листья растений в зеленый цвет. Молекулы хлорофилла обладают рядом резонансных полос поглощения. На рис. 170 изображены спектры поглощения живых листьев крапивы, полученные В. Н. Любименко. При получении спектра а свет проходил через один лист крапивы, при получении спектра b свет проходил через два листа крапивы, положенных друг на друга.

Рис. 168. Молекулы антоцианина, окрашивающего розу в красный цвет.

Рис. 169. Молекула антоцианина, окрашивающего василек в синий цвет.

Темные полосы соответствуют полосам поглощения.

Благодаря наличию сильных полос поглощения листья вбирают в себя значительную долю падающего на них света. Поглощенный свет вызывает разложение углекислоты в растениях, т. е. вызывает бдин из самых важных процессов в природе. Из рис. 170 между прочим следует, что листья пропускают не только зеленые лучи, но и темно-красные.

Рис. 170. Спектр поглощения листьев крапивы: а - один лист, Ь - два листа.

К. А. Тимирязев, одним из первых изучивший спектр хлорофилла, писал: «На этот факт не мешало бы обратить внимание иным живописцам, нередко угощающим в своих ландшафтах невозможной, никогда не виданной малахитовой зеленью. По всей вероятности, в этих неудачных попытках художники стремятся изобразить возможно чистый зеленый цвет, между тем цвет растительности именно смешанный зелено-красный. В справедливости этого можно убедиться весьма простым и любопытным опытом.

Самое обыкновенное, встречающееся в продаже синее стекло, поглощая зеленые лучи, пропускает кроме синих еще часть красных (рис. 171). Понятно, что если смотреть через такое стекло на зеленую растительность, то оно, поглощая посылаемые в наш глаз зеленые лучи, будет допускать до него только красные. Оптики воспользовались этим фактом для того, чтобы предложить публике под несколько замысловатым названием эритрофитоскопа довольно забавный инструмент. Это просто синие очки, но стоит их только надеть, и весь мир представляется в «розовом свете». Под ясным синим небом развертывается фантастический ландшафт с кораллово-красными лугами и лесами».

Рис. 171. Спектр поглощения синего стекла.

Рис. 172. Спектр поглощения: а - оконного стекла; 6 - увнолевого стекла.

Последний пример чрезвычайно поучителен, так как показывает, какие неожиданные эффекты могут получаться в результате одновременного действия двух поглощающих свет веществ; смотря сквозь синее стекло на зеленые листья, мы видим их красными.

Гемоглобин - красное красящее вещество крови - имеет молекулы, очень сходные с молекулами хлорофилла. Основное различие состоит в том, что молекула хлорофилла содержит атом магния, а гемоглобина - атом железа.

Избирательным поглощением обладает и человеческая кожа. Резкий максимум поглощения кожи лежит около в области довольно коротких ультрафиолетовых лучей. Эта спектральная область обладает сильным лечебным действием и вызывает загар. Как раз эту область спектра сильно поглощают обычные оконные стекла. Имеются специальные увиолевые стекла, обладающие прозрачностью в ультрафиолетовой части спектра (рис. 172).

Всем известны яркие цвета минералов, в особенности драгоценных камней. Окраска минералов также объясняется избирательным поглощением. В большинстве случаев это поглощение связано с наличием небольших примесей металлов железной группы (железо, марганец, хром и др.). Наиболее сильное окрашивающее действие оказывает хром, само название элемента указывает на это.

Интересно, что хром в малых количествах окрашивает минералы в красный (рубин), а в больших количествах - в зеленый цвет (изумруд). Окраска минералов связана со свойствами ионов тяжелых металлов. Например, железо, входящее в минерал в виде окрашивает в зеленый цвет, а железо в виде красный цвет. Причины, определяющие частоты собственных колебаний в этих случаях, еще не вполне ясны. Различная окраска минералов чрезвычайно облегчает разведку полезных ископаемых. В 1930 г. в Канаде жилы радиоактивных руд разыскивались и открывались с самолета по их темно-красному тону.

Искусственное создание веществ, обладающих нужными спектрами поглощения, красок, представляет сейчас одну из наиболее мощных отраслей химической промышленности. Наиболее важные технические красители для тканей получаются путем сложной химической переработки каменноугольной смолы. У всех этих красителей очень сложные молекулы, состоящие из десятков атомов углерода, водорода, азота, кислорода и др. Естественно, что вопрос об их собственных колебаниях очень сложен и пока мало разработан.

В сигнализации, фотографии и других областях широко применяются окрашенные стекла - светофильтры. В светофильтрах окрашивается либо тонкий слой желатина, нанесенного на стекло, либо само стекло. Для окраски стекла часто вводят в него коллоидные частицы металла (селен, медь, золото и др.). На этих коллоидных частицах происходит дифракция света, сопровождаемая поглощением света, поскольку частицы состоят из проводника. Поглощение имеет резко резонансный характер, связанный с наличием собственных колебаний у коллоидных частиц металла. Коллоидный раствор меди в стекле дает красное «рубиновое» стекло, применяемое в светофорах.

Наконец, следует остановиться еще на том, как действуют окрашенные слои при различных условиях наблюдения. Здесь надо различать наблюдение в проходящем свете и наблюдение в отраженном свете. Светофильтры, очевидно, действуют на проходящий свет, текстильные краски и краски для картин - на отраженный свет,

На картинах, нарисованных акварельными красками, свет проходит сквозь слой краски, отражается от белой бумаги и возвращается обратно, опять проходя сквозь краску. Масляные краски сами содержат твердые включения, отражающие падающий свет так, что свет не доходит до полотна.

Для наблюдения в проходящем свете важно значение коэффициента поглощения, характеризующего поглощение слоя краски. Для наблюдения в отраженном свете важен коэффициент отражения краски, равный отношению интенсивности отраженного света к интенсивности падающего.