Поглинання, відображення і пропускання світла в різних середовищах

1.2.1. загальні уявлення

При падінні випромінювання на тіло частина світла відбивається, а інша проходить всередину середовища. У середовищі частина випромінювання може поглинути або розсіятися (при наявності в ній неоднорідностей), а інша частина пройти через неї. Поглинене випромінювання перетворюється в тепло або випромінюється з іншого довжиною хвилі (фотолюмінісценція), рис. 1.2.1.

Мал. 1.2.1
Схема, що ілюструє оптичні процеси,
що відбуваються на поверхні середовища і всередині неї

У загальному випадку світловий потік, що падає на зразок, ділять на три компоненти:

де. відповідно, коефіцієнти відображення, поглинання і пропускання.

При направленому пропущенні, коли розсіюванням можна знехтувати, ставлення називається прозорістю середовища.

Всі коефіцієнти залежать від довжини хвилі.

Як випливає з курсу загальної фізики, електромагнітна хвиля, потрапляючи в однорідний діелектрик, викликає в ньому вимушені коливання пов'язаних електричних зарядів, які стають джерелом вторинних електромагнітних хвиль. Інтерферіруя з первинної хвилею, ці хвилі створюють результуючу переломлених хвилю, яка поширюється в середовищі з фазової швидкістю в раз меншою швидкості світла у вакуумі (- абсолютний показник заломлення середовища).

Вторинні хвилі від поверхневого шару виходять і назовні зразка. Складаючись, вони утворюють відображену хвилю.

Розрахунок коефіцієнта відображення в залежності від показника заломлення межують плоских діелектриків був вперше виконаний Френелем і потім доповнений рішенням рівнянь Максвелла для межі розділу двох середовищ, що мають різні діелектричні проникності.

Якщо електромагнітна хвиля падає перпендикулярно межі поділу двох середовищ, то коефіцієнт відображення розраховується за формулою

де - відносний показник заломлення.

В цілому коефіцієнт відображення залежить від кута падіння, залишаючись мінімальним при нормальному падінні світла.

Метали відрізняються від діелектриків як високими значеннями коефіцієнта відбиття, так і поглинання. Це обумовлено великою концентрацією в них вільних електронів, які легко розгойдуються падаючим випромінюванням. В результаті з'являється дуже потужна відбита хвиля, а зіштовхуються з іонами кристалічної решітки вільні електрони трансформують енергію падаючого випромінювання в тепло.

Розсіювання викликано оптичними неоднорідностями середовища (сторонніми частками) або флуктуаціями щільності речовини, відповідно показника заломлення (таке розсіювання зазвичай називають молекулярним).

Розсіювання на неоднорідностях середовища відбувається через відображення, заломлення і дифракції на сторонніх включених. Якщо розмір розсіюють частинок критично малий у порівнянні з довжиною хвилі, то розсіювання практично відсутня (наприклад, випромінювання оптичного діапазону не розсіюється окремими атомами). Зі збільшенням розміру часток (при переході від атомів до молекул) розсіювання сильно зростає і суттєво залежить від довжини хвилі. Відповідно до закону Релея при молекулярному розсіянні в газі інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна квадрату об'єму частинки і обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі. Однак, вже для частинок з радіусом приблизно в 5 разів більше довжини хвилі інтенсивність розсіювання перестає залежати від частоти випромінювання.

Характер відбитого світла залежить від інтенсивності розсіювання:

- якщо розсіювання відсутня (однорідний шар з гладкими поверхнями), то має місце спрямоване відображення (дзеркальне) і пропускання;

- якщо випромінювання повністю розсіюється (молочні скла), то говорять про дифузному відображенні і пропущенні;

- змішане відображення і пропускання (направлено-розсіяне) зазвичай спостерігається на поверхнях, елементи яких по-різному орієнтовані відносно загальної площини (матове скло).

1. Опишіть оптичні процеси, що відбуваються на поверхні середовища і всередині неї при падінні електромагнітного випромінювання.

2. Дайте визначення коефіцієнтів відбиття, поглинання і пропускання.

3. В результаті чого з'являється переломлених і відбита хвиля?

4. Чим викликано розсіювання світла?

5. У чому сенс закону Релея? Де ми зустрічаємося з його проявом?

6. Від чого залежить характер відбитого світла?

7. Як змінюється картина розсіювання світла зі збільшенням розміру розсіюють частинок?