Поглощение света. 
Электромагнетизм, оптика, квантовая физика

Когда гармоническая электромагнитная волна частоты и проходит через вещество, она принуждает электроны в молекулах совершать колебания с такой же частотой. При этом волна постепенно теряет свою энергию, передавая ее колеблющимся электронам. Колеблющиеся электроны испускают электромагнитные волны, которые уносят с собой часть их энергии. Некоторая часть энергии колебаний электронов в молекулах переходит в энергию беспорядочного теплового движения самих молекул. Вследствие этих процессов интенсивность электромагнитной волны уменьшается по мере ее продвижения через вещество. Это явление называют поглощением излучения веществом.

Пусть плоская электромагнитная волна распространяется в веществе. Направим ось х вдоль одного из лучей в сторону распространения волны. Если вещество поглощает энергию волны, то ее интенсивность I будут монотонно убывающей функцией координаты х:

Приращение (II этой функции, соответствующее приращению dx координаты, будет отрицательной величиной: dl < 0. При этом абсолютное значение dl приращения интенсивности должно быть прямо пропорционально длине интервала dx и самой интенсивности. Таким образом, приращение интенсивности волны будет.

где коэффициент пропорциональности, а называется коэффициентом поглощения. Эта величина является характеристикой вещества.

Равенство (15.25) есть дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, которое следует записать так:

Интегрирование приводит к функции.

где С — постоянная интегрирования. Пусть значение координаты х = 0 соответствует фазовой плоскости, на которой интенсивность волны принимает значение 1₀:

При помощи этого граничного условия нетрудно установить, что постоянная С = /₀. Таким образом, получим зависимость.

которая выражает закон Бугера. Если коэффициент поглощения q равен нулю, то интенсивность волны будет постоянной величиной: / = 1₀. Это означает, что излучение проходит через вещество без поглощения. Такие вещества называют прозрачными для излучения. Чем больше значение коэффициента поглощения а в формуле (15.27), тем быстрее убывает интенсивность волны при ее распространении через вещество.

Коэффициент поглощения а определяй гея свойствами вещества и является некоторой функцией частоты ц> проходящего через вещество излучения: о = а (и;). Вынужденные колебания электронов под действием гармонической волны происходят с наибольшей амплитудой в том случае, когда частота волны lj близка к одной из частот и/₀, собственных колебаний электронов. При этом электроны забирают у волны больше всего энергии. Когда частота волны и/ далека от частот ы_в|, амплитуда вынужденных колебаний электронов очень мала, т. е. такая волна не может заставить электроны колебаться со своей частотой и не передает им свою энергию. Волны с такими частотами проходят через вещество без потерь энергии, т. е. вещество их не поглощает и является для них прозрачным (а = 0).

Интервалы частот, в которых коэффициент поглощения заметно отличается от нуля, называют полосами поглощения. Частоты исобственных колебаний электронов лежат в этих интервалах. Полосы поглощения электромагнитных волн газами очень узкие. Поэтому спектры поглощения излучения газами называют линейчатыми. Спектры поглощения излучения твердыми телами, жидкостями и газами при высоких давлениях содержат широкие полосы поглощения. Расширение полос поглощения при увеличении плотности вещества происходит из-за уменьшения среднего расстояния между атомами, что приводит к более интенсивному их взаимодействию.

Проводники практически непрозрачны для электромагнитного излучения, гак как они содержат в себе носители тока. Когда электромагнитная волна проникает на некоторую глубину в проводник, она заставляет носители тока двигаться, т. е. волна возбуждает в проводнике переменные электрические токи. Это приводит к нагреванию проводника. Таким образом, энергия волны посредством носителей тока переходит в тепловую энергию. Вследствие этого интенсивность волны очень быстро уменьшается при ее продвижении в глубь проводника.