Поглощение света в металлах

Обновлено: 04.10.2024

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 законом Бугера:

где Iо 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. Не путать безразмерныq показателm поглощения ɑ, который связан с ɑλ формулой ɑλ=4πɑ /λ.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны (или частоты) и для различных веществ различен. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах,

характеризуется полосами поглощения. Участок спектра (диапазон волн) радиации, в котором радиация поглощается тем или иным веществом.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик, однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда а резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, 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 и поэтому металлы

являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают переменные 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.

С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны являются когерентными и поэтому должны интерферировать. В случае однородной среды вторичные волны гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому рассеяние света, то есть перераспределение его по разным направлениям, отсутствует. В направлении первичной волны вторичные волны, интерферируя с первичной волной, образуют результирующую волну, фазовая скорость которой отлична от скорости света в вакууме. Этим объясняется дисперсия света. Следовательно, рассеяние света возникает только в неоднородной среде.

Поглощение света в металлах

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; x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний;

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

где

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. 10.7, а).


аб

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. 10.7, 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).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (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

На рис. 10.8 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.

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.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.


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.

Поглощение света

Поглощением света называют потери энергии волны при прохождении ее сквозь вещество, в результате преобразования ее энергии в другие формы (внутреннюю энергию, вторичное излучение). Результатом поглощения света является уменьшение интенсивности света.

Поглощение в классической теории дисперсии учитывают, рассматривая некоторую диссипативную силу. Эта сила очень мало искажает собственные колебания электрона за один период, значит, ее можно положить пропорциональной скорости движения электрона ($\frac$). Так, сила сопротивления, действующая на электрон имеет вид:

где $g$ коэффициент, зависящий от природы среды. Соответственно, амплитуда колебаний убывает по закону:

Если колебания затухают слабо, то есть справедливы выражения:

такое затухание, вызванное излучением, называют естественным затуханием. При этом время естественного затухания по энергии $_$, за которое энергия убывает в $e$ раз, будет равно:

Уширение спектральных линий

Затухание приводит к тому, что колебания становятся немонохроматическими. Что в свою очередь ведет к уширению спектральных линий. Так, естественной шириной спектральной линии называют ширину соответствующей линии, которая вызвана затуханием в результате излучения. Для того чтобы найти такую ширину требуется поле излучения:

требуется разложить в интеграл Фурье. В таком случае квадраты коэффициентов полученного разложения определят относительные спектральные плотности излучения $I\left(\omega \right):$

Форма линии спектра изображена на рис.1. Ширину спектральной линии обычно характеризуют расстоянием между точками $AA'$ (рис.1). Эти точки располагаются по разные стороны от центра лини. В них интенсивность света равна половине интенсивности в центре линии. Такое расстояние называют полушириной спектральной линии.

Готовые работы на аналогичную тему

Естественная полуширина спектральной линии равна:

В квантовой физике время излучения связано со временем жизни возбужденного состояния.

Естественное затухание свечения изолированных атомов и уширение линий спектра эмпирически исследовал В. Вин. Он заставлял каналовые лучи, которые состояли из светящихся атомов, проходить сквозь узкое отверстие в область, где поддерживался вакуум. В такой области атомы двигались без столкновений, при этом их свечение затухало, при увеличении расстояния от входа. Так оценивалось время естественного затухания. Средняя скорость движения атомов каналовых лучей измерялась по смещению линий спектра Доплера.

Причины поглощения света

Все, что было сказано ранее, относилось к излучению изолированного атома. В веществе атом не только теряет энергию, излучая, но и получает ее от излучения других атомов. Если среда является полностью оптически однородной, то процесс излучения и процесс поглощения взаимно компенсируют друг друга. Если бы отсутствовали другие причины затухания, то плоская бегущая волна распространялась в веществе без ослабления.

При нарушении оптической однородности вещества (тепловых флуктуаций, посторонних включений в вещество) ситуация изменяется. Потери атомами энергии при излучении ведет к ослаблению волны. Но требуется отметить, что это рассеяние света, а истинное его поглощение. Истинным поглощением света называют процесс, при котором происходит превращение энергии волны света в тепло (другие формы энергии).

Причиной поглощения света считают столкновения атомов друг с другом в процессе их колебаний. Так, в теории уширения линий спектра, которая вызвана столкновениями атомов (молекул) газа, подобное изменение размера спектральных линий называют ударным. Ударное уширение спектральных линий определяют выражением:

где $_\approx \frac$ -- среднее время свободного пробега атома между столкновениями. $N$- количество атомов в единице объема, $\sigma $ - газокинетическое сечение атома, $v$ -- средняя скорость теплового движения атома.

Следующей причиной поглощения света является взаимодействие излучающего атома с силовыми (прежде всего электрическими) полями, которые создают окружающие атомы.

Закон поглощения света

Относительно изменения интенсивности световой волны, которая проходит через вещество и испытывает поглощение, работает закон Бугера:

где $I_0$ -- интенсивность волны света на входе в вещество, $I$ - интенсивность волны света на выходе, $x$ -- толщина слоя вещества, $\alpha $ -- коэффициент поглощения вещества, который связан с длиной волны света, веществом.

Явление поглощения применяют в спектральном анализе смесей газов. Этот прием основан на измерении спектров частот и интенсивностей полос поглощения, так как спектральную структуру при поглощении определяет состав молекул.

Во сколько раз изменится интенсивность света ($\frac$), если толщина слоя вещества, которое он прошел, равна $2x.$ Тогда как если свет в этом же веществе прошел путь $x$, его интенсивность уменьшается в три раза.

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем закон Бугера:

Запишем закон (1.1) для случая, когда свет прошел путь $x$, и его интенсивность уменьшилась в три раза:

Возьмем натуральный логарифм от обеих частей выражения (1.3) получим:

Используем результат, полученный в (1.4), запишем интенсивность света на выходе из слоя ($I_2$) заданного вещества, если путь света равен $2x$:

Найдем искомое отношение:

Задание: Почему одной из причин возникновения поглощения света называют столкновения атомов в веществе друг с другом?

Атомы, внутри которых идут колебания, совершая тепловое движение, сталкиваются между собой. В результате каждого столкновения резко изменяются амплитуды и фазы гармонических колебаний. В результате этого идет переход энергии колебательных движений в тепло (то есть поглощение света).

Ударные затухания особенно сильно проявляются в плотных газах и при высоких температурах. В обычных условиях столкновения оказывают большее влияние на затухание, чем излучение.

Особенности распространения света в металлах

Для металлов характерно отражение света от поверхности, что связано с тем, что металлы имеют большое «свободных» электронов. Вынужденные колебания таких электронов порождают вторичные волны, они вызывают интенсивную отраженную волну (до $95\%$ от интенсивности падающей волны) и относительно слабую волну, которая идет внутрь металла. В связи с тем, что плотность свободных электронов высока, то даже тонкие слои металла отражают большую часть падающего света и почти непрозрачны. Энергия световой волны, которая попадает внутрь металла, поглощается им. При этом световая волна вызывает колебания свободных электронов. Они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, как следствие, энергия, полученная от волны света, переходит в тепловую энергию. При этом электромагнитная волна быстро затухает в металле.

Доли света, отражаемые металлом и поглощаемые, зависят от его проводимости. Если мы имеем дело с идеальным проводником, в котором потери на джоулево тепло отсутствуют, поглощение равно нулю, при этом падающая волна света полностью отражается. Так, отражательная способность натрия достигает $99,8\%$.

Чем больше коэффициент электропроводности, тем выше отражательная способность металлов.

При не высоких частотах оптические свойства металлов определяет поведение свободных электронов. При увеличении частоты световой волны повышается роль связанных электронов, которые характеризуются собственной частотой, находящейся в области относительно коротких длин волн. Участие данных электронов определяет неметаллические оптические свойства металлов. Например, серебро, которое в видимой части спектра волн света имеет большой коэффициент отражения (около $95\%$) и заметное поглощение, что можно отнести к типичным оптическим свойствам металлов, в области ультрафиолетового излучения характеризуется плохим отражением и высокой прозрачностью. Так при длине волн порядка $316$ нм отражательная способность серебра становится равной $4,2\%$, что равно отражению от стекла.

Оптические постоянные металлов

Допустим, что в слое металла толщиной $dz$ поглощается часть падающего света, равная:

Интенсивность волны света при проникновении ее внутрь металла при этом убывает в соответствии с законом:

где $\alpha $ -- коэффициент поглощения. Введем величину \varkappa$, которая равна:, которая равна:

где $\lambda $ -- длина волны света в среде. Если через $<\lambda >_0$ обозначить длину света в вакууме, $n$ -- показатель преломления вещества, то:

В таком случае можно записать, что:

По предложению Планка поглощение считается металлическим, если $n\varkappa >1.$ В видимой части спектра большинство металлов значение $n\varkappa $ находится между $1,5$ и $5$. При увеличении длины волны падающего света $n\varkappa $ возрастает.

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды волны, значит, в результате поглощения изменение амплитуды происходит в соответствии с законом:

Из чего следует, что волна света в металле имеет вид:

Выражение (7) можно преобразовать к виду:

При применении комплексной формы записи (8) волну в металле можно представить в обычном виде, только вместо привычного показателя преломления $n$ в формуле используется комплексный показатель преломления ($n'$), равный:

Мнимая часть показателя $n'$ относится к поглощению волны.

Параметры $n\$ и $\varkappa$ -- постоянные, которые характеризуют оптические свойства металла. Соотношение между ними можно представить как:

при этом $n$ называют главным показателем преломления металла, $\varkappa$ -- называют главным показателем затухания (затухание может проходить без поглощения).

Можно связать оптические характеристики металлов с электрическими постоянными выражением вида:

где $\nu $ -- частота света, $\sigma $ -- электропроводность металла. Следует заметить, что $\sigma $ измерить легко для постоянного поля (или поля низкой частоты). Непосредственно измерить $\varepsilon $ невозможно. Значит, вычисление оптических постоянных для видимого или ультрафиолетового света на основе выражений (10), (11) не представляется возможным. Один из экспериментальных методов измерения оптических постоянных металлов предложили Кундт, другой Друде.

Задание: Опишите идею Друде по экспериментальному нахождению оптических постоянных металлов.

Способ, который предложил Друде для определения $n\ и\ \varkappa $ основывается на свойствах света, отраженного от металла. Оптические особенности металла учитывает выражение:

При этом в формулах Френеля для металлов амплитуды отраженной и преломленной волн становятся комплексными (появляется разность фаз между составляющими отраженной (преломленной) и падающей волнами). Данное отличие в фазах отличается для компонент вектора напряженности электрического поля волны для плоскости падения и перпендикулярной к ней плоскости. Между взаимно перпендикулярными составляющими в отраженном (и преломленном) свете $E_$ и $E_$ появляется разность фаз. Что означает, если на поверхность металла падает плоско поляризованный свет, то отраженный свет будет эллиптически поляризован. При этом эксцентриситет и положение эллипса зависит от оптических свойств металла ($n\ и\ \varkappa $).

Метод Друде связал данные величины с данными об эллиптической поляризации и дает возможность определить оптические постоянные металла.

Задание: Пусть световая волна падает на металл перпендикулярно его поверхности. Найдите выражение для определения коэффициента отражения световой волны (r) (по интенсивности) от поверхности металла.

Для решения задачи используем соотношение:

Заменим показатель преломления $n$ на $n'=n\left(1-i\varkappa \right)$, то есть имеем:

Из выражения (2.2) имеем:

Из выражения (2.2), умножая это выражение на комплексно сопряженную величину $\left|r\right|e^_r>$получим:

Поглощение (абсорбция) света

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 I0 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 I0 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 метал­ловимеет 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.

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.

Читайте также: