|
А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина
Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система
Часть I
Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры
1.2. Поглощение, отражение и пропускание света в различных средах
1.2.1. Общие представления
При падении излучения на тело часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться (при наличии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неё. Поглощённое излучение превращается в тепло или излучается с другой длиной волны (фотолюминесценция), рис. 1.2.1.
Рис. 1.2.1
Схема, иллюстрирующая оптические процессы,
происходящие на поверхности среды и внутри неё
В общем случае световой поток, падающий на образец, делят на три компоненты:
 (1.2.1)
где  , соответственно, коэффициенты отражения, поглощения и пропускания.
При направленном пропускании, когда рассеянием можно пренебречь, отношение  называется прозрачностью среды  .
Очевидно, что
 . (1.2.2)
Все коэффициенты зависят от длины волны.
Как следует из курса общей физики, электромагнитная волна, попадая в однородный диэлектрик, вызывает в нём вынужденные колебания связанных электрических зарядов, которые становятся источником вторичных электромагнитных волн. Интерферируя с первичной волной, эти волны создают результирующую преломлённую волну, которая распространяется в среде с фазовой скоростью в  раз меньшей скорости света в вакууме ( - абсолютный показатель преломления среды).
Вторичные волны от поверхностного слоя выходят и наружу образца. Складываясь, они образуют отражённую волну.
Расчёт коэффициента отражения в зависимости от показателя преломления граничащих плоских диэлектриков был впервые выполнен Френелем и затем дополнен решением уравнений Максвелла для границы раздела двух сред, имеющих различные диэлектрические проницаемости.
Если электромагнитная волна падает перпендикулярно границе раздела двух сред, то коэффициент отражения рассчитывается по формуле
 , (1.2.3)
где  - относительный показатель преломления.
В целом коэффициент отражения зависит от угла падения, оставаясь минимальным при нормальном падении света.
Металлы отличаются от диэлектриков как высокими значениями коэффициента отражения, так и поглощения. Это обусловлено большой концентрацией в них свободных электронов, которые легко раскачиваются падающим излучением. В результате появляется очень мощная отражённая волна, а сталкивающиеся с ионами кристаллической решётки свободные электроны трансформируют энергию падающего излучения в тепло.
Рассеяние вызвано оптическими неоднородностями среды (посторонними частицами) или флуктуациями плотности вещества, соответственно показателя преломления (такое рассеяние обычно называют молекулярным).
Рассеяние на неоднородностях среды происходит из-за отражения, преломления и дифракции на посторонних включениях. Если размер рассеивающих частиц критически мал по сравнению с длиной волны, то рассеяние практически отсутствует (например, излучение оптического диапазона не рассеивается отдельными атомами). С увеличением размера частиц (при переходе от атомов к молекулам) рассеяние сильно растёт и существенно зависит от длины волны. Согласно закону Рэлея при молекулярном рассеянии в газе интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна квадрату объёма частицы и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Однако, уже для частиц с радиусом примерно в 5 раз больше длины волны интенсивность рассеяния перестаёт зависеть от частоты излучения.
Характер отражённого света зависит от интенсивности рассеяния:
- если рассеяние отсутствует (однородный слой с гладкими поверхностями), то имеет место направленное отражение (зеркальное) и пропускание;
- если излучение полностью рассеивается (молочные стёкла), то говорят о диффузном отражении и пропускании;
- смешанное отражение и пропускание (направленно-рассеянное) обычно наблюдается на поверхностях, элементы которых различно ориентированы относительно общей плоскости (матовое стекло).
Контрольные вопросы
1. Опишите оптические процессы, происходящие на поверхности среды и внутри неё при падении электромагнитного излучения.
2. Дайте определение коэффициентов отражения, поглощения и пропускания.
3. В результате чего появляется преломлённая и отражённая волна?
4. Чем вызвано рассеяние света?
5. В чём смысл закона Рэлея? Где мы встречаемся с его проявлением?
6. От чего зависит характер отражённого света?
7. Как меняется картина рассеяния света с увеличением размера рассеивающих частиц?
| 
ATP/ATR СПЕКТРОМЕТР 
О КОМПАНИИ