12.3. Поглощение и рассеяние

В предыдущем разделе явления рассматривались как предположение что среды оптически однородны и абсолютно прозрачны для света. В действительности дело обстоит иначе. Процесс прохождения света через вещество - это процесс поглощения атомами и молекулами энергии электромагнитной волны, которая идет на возбуждение колебания электронов и последующего переизлучения этой энергии. При этом, не вся энергия переизлучается, часть ее переходит в другие виды энергии например тепловую. Это приводит к поглощению света, которое зависит от длины волны света и имеет максимумы на частотах, соответствующих частотам собственных колебаний электронов в атомах, самих атомов и молекул. Естественно, поглощение зависит от толщины слоя поглощающего вещества.

Примеры применения поглощения и рассеяния света:

- толщину полимерной пленки измеряют, сравнивая потоки ИК-излучения: отражающего от поверхности и прошедшего сквозь пленку, ослабленного за счет поглощения в слое полимера;

- для определения влагосодержания предмета его облучают светом с длиной волны, лежащей в области поглощения воды, и измеряют сигнал ослабленного излучения;

- контролируют процесс сушки по ИК-поглощению паров растворителя;

- ослабление светового излучения при прохождении через среду объясняется также и рассеянием света. В случае наличия в среде оптических неоднородностей переизлучение энергии электромагнитной волны происходит не только в направлении проходящей волны (пропускание), но и в стороны. Эта часть излучения, наряду с дифрагированной, преломленной и отраженной на неоднородностях составляющими, и образует рассеянный свет. Рассеяние обладает дисперсией. В атмосфере, например, рассеиваются преимущественно голубые лучи; этим объясняется голубой цвет неба, в то время как свет, проходящий через атмосферу, обогащен красными составляющими – красный цвет зорь. При монохроматическом освещении даже в физически сильно неоднородной среде рассеяние не происходит при совпадении коэффициентов преломления компонентов среды. Выбрав компоненты с различными температурными коэффициентами пре, можно создать оптический термометр;

- устройство для измерения температуры, содержащее измерительный элемент, устанавливаемый на исследуемый материал, и источник белого света, отличающийся тем, что с целью расширения интервала измеряемых температур, измерительный элемент выполнен в виде прозрачной кюветы, заполненной смесью, оптически неоднородных веществ, соответствующих заданному интервалу температур, показатели, преломления которых зависят от длины волны и температурные коэффициенты показателей преломления отличаются знаком либо величиной. (Показатели преломления компонентов смеси совпадают для различных длин волн в зависимости от температуры. При этом кювета становится оптически однородной для света с данной длиной волны, который пройдя через кювету, сообщает ей определенный цвет, соответствующей определенной температуре. Другие же составляющие белого цвета рассеиваются на неоднородностях системы и через кювету не походят). Распределение интенсивности света, рассеянного средой по различным направлениям (индекатрисса рассеяния), может дать значительную информацию о микрофизических параметрах среды. Такого рода измерения находят применение в биологии, коллоидной и аналитической химии, а также в аэрозольной технике;

- определяют параметры капель жидкости, измеряя характеристики светового излучения, рассеянного на каплях.

Рассеяние наблюдается в чистых веществах. Оно объясняется возникновением оптической неоднородности, связанный с флуктуациями плотности, например, тепловыми. Рассеянный свет по некоторым направлениям частично поляризован.

В случае комбинационного рассеяния света (эффект Мандельштама-Ландсберга-Рамана) в спектре рассеянного излучения кроме линий, характеризующих падающий свет, имеются дополнительные линии (сателлиты), излучение которых является комбинацией частот падающего излучения и частот собственных тепловых колебаний молекул рассеивающей среды.

Эффект Мандельштама-Ландсберга-Рамана применяется для:

- контроля содержания загрязнений в большом объеме воздуха производится на основе анализа характеристического романовского излучения (сателлитов комбинационного рассеяния), возникающего при рассеянии лазерного излучения на атомах и молекулах загрязнений.

Эффект Рамана– комбинационное рассеяние света, рассеяние света веществом, сопровождающееся заметным изменением частоты рассеиваемого света. Открыт в 1828 г. индийским физиком Раманом на жидкостях и Лондсбергом, Мандельштамом на кристаллах. Если источник испускает линейчатый спектр, то при комбинационном рассеянии света в спектре рассеянного излучения обнаруживаются дополнительные линии, число и расположение которых тесно связано с молекулярным строением вещества.

Согласно квантовой теории, процесс комбинационного рассеяния света состоит из 2-х связанных между собой актов - поглощения первичного фотона с энергией hv и испускания фотона с энергией hv, происходящих в результате взаимодействия электронов молекулы с полем падающей световой волны. Молекула, находящаяся в невозбужденном состоянии, под действием кванта с энергией hv, испуская квант, переходит в состояние сколебательной энергией hvj Таким образом, процесс приводит к появлениюлиний с частотами v+Vj и v-Vj.

Интенсивность линий комбинационного рассеяния света мала и зависит от частоты возбуждающегося света.

Рис. 12.3. Схема образования стоксовых (V-V^H оптистоксовых (v+Vn)) линий при К.Р.С.