ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА, умень­ше­ние ин­тен­сив­но­сти све­та при про­хо­ж­де­нии че­рез ве­ще­ст­во вслед­ст­вие его взаи­мо­дей­ст­вия с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва. Элек­тро­маг­нит­ное по­ле све­то­вой вол­ны воз­бу­ж­да­ет до­пол­нит. ко­ле­ба­ния элек­тро­нов и ио­нов ве­ще­ст­ва, на что рас­хо­ду­ет­ся энер­гия. Час­тич­но она воз­вра­ща­ет­ся в ви­де вто­рич­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. В тер­ми­нах кван­то­вой тео­рии про­цесс П. с. свя­зан с пе­ре­хо­дом элек­тро­нов в ато­ма­х и мо­ле­ку­лах, по­гло­щаю­щих из­лу­че­ние, с низ­ких уров­ней энер­гии на бо­лее вы­со­кие. Об­рат­ный пе­ре­ход в ос­нов­ное или ниж­нее воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние мо­жет со­вер­шать­ся с из­лу­че­ни­ем фо­то­на или бе­зыз­лу­ча­тель­но, или ком­би­ни­ро­ван­ным пу­тём, при­чём спо­соб об­рат­но­го пе­ре­хо­да оп­ре­де­ля­ет, в ка­кой вид энер­гии пе­ре­хо­дит энер­гия по­гло­щён­но­го све­та.

Обыч­но ин­тен­сив­ность све­та I умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем про­хо­ди­мо­го в ве­ще­ст­ве рас­стоя­ния l по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну: I=I₀е^–αl, где I₀ – на­чаль­ная ин­тен­сив­ность све­та, α  – по­ка­за­тель по­гло­ще­ния, за­ви­ся­щий от про­зрач­но­сти сре­ды. Этот за­кон экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­лен П. Бу­ге­ром в 1729 и тео­ре­ти­че­ски вы­ве­ден И. Лам­бер­том в 1760 (см. Бу­ге­ра – Лам­бер­та – Бе­ра за­кон).

За­ви­си­мость по­ка­за­те­ля по­гло­ще­ния α от дли­ны вол­ны све­та λ на­зы­ва­ет­ся спек­тром по­гло­ще­ния ве­ще­ст­ва. Спектр по­гло­ще­ния изо­ли­ро­ван­ных ато­мов (напр., ато­мов раз­ре­жен­ных га­зов) со­сто­ит из уз­ких спек­траль­ных ли­ний, т. е. по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α от­ли­чен от ну­ля толь­ко в оп­ре­де­лён­ных уз­ких диа­па­зо­нах длин волн (ши­ри­ной 0,1–1 нм), со­от­вет­ст­вую­щих час­то­там собств. ко­ле­ба­ний элек­тро­нов внут­ри ато­мов. Мо­ле­ку­ляр­ный спектр по­гло­ще­ния, оп­ре­де­ляе­мый ко­ле­ба­ния­ми ато­мов в мо­ле­ку­лах, со­сто­ит из по­лос по­гло­ще­ния (ши­ри­ной 10 нм – 10 мкм). По­гло­ще­ние твёр­дых тел ха­рак­те­ри­зу­ет­ся, как пра­ви­ло, очень ши­ро­ким диа­па­зо­ном длин волн (10–100 мкм) с боль­шим зна­че­ни­ем α. Ка­че­ст­вен­но это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в кон­ден­си­ров. сре­дах силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду час­ти­ца­ми при­во­дит к бы­ст­рой пе­ре­да­че энер­гии, от­дан­ной све­том од­ной из них, все­му кол­лек­ти­ву час­тиц. Все эти час­ти­цы из­лу­ча­ют на несколько раз­ли­чаю­щих­ся час­то­тах, в ре­зуль­та­те че­го спектр ста­но­вит­ся ши­ро­ким.

В про­во­дя­щих сре­дах (ме­тал­лах, плаз­ме) взаи­мо­дей­ст­вие со све­том в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет­ся сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми, по­это­му α за­ви­сит от элек­тро­про­вод­но­сти сре­ды. П. с. в про­во­дя­щих сре­дах силь­но влия­ет на все про­цес­сы рас­про­стра­не­ния све­та в них; фор­маль­но это учи­ты­ва­ет­ся тем, что член, со­дер­жа­щий α, вхо­дит в вы­ра­же­ние для ком­плекс­но­го по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сре­ды. Па­даю­щая све­то­вая вол­на по­гло­ща­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью в тон­ком (ок. 10 нм) слое; её энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию дви­же­ния элек­трон­ной плаз­мы. Дви­жу­щие­ся элек­тро­ны из­лу­ча­ют, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся от­ра­жён­ная вол­на, уно­ся­щая до 99% энер­гии (под­роб­нее см. в ст. Ме­тал­ло­оп­ти­ка). Тем не ме­нее мож­но сде­лать та­кой тон­кий слой зо­ло­той фоль­ги, что он бу­дет час­тич­но про­пус­кать свет. Мож­но так­же на­пы­лить тон­кий слой се­реб­ра на стек­ло или др. про­зрач­ную под­лож­ку, и это бу­дет час­тич­но про­пус­каю­щим (ок. 30%) и час­тич­но от­ра­жаю­щим (ок. 30%) по­кры­ти­ем, ис­поль­зуе­мым в ка­че­ст­ве све­то­де­ли­те­ля. Ос­таль­ные ≈40% све­та по­гло­ща­ют­ся.

Ко­гда свет по­гло­ща­ет­ся мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва, рас­тво­рён­но­го в прак­ти­че­ски не по­гло­щаю­щем рас­тво­ри­те­ле, или мо­ле­ку­ла­ми га­за, по­ка­за­тель α ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ным чис­лу по­гло­щаю­щих мо­ле­кул на еди­ни­це дли­ны пу­ти све­то­вой вол­ны, или, что то же, в еди­ни­це объ­ё­ма, за­пол­нен­но­го про­хо­дя­щим све­том, т. е. про­пор­цио­на­лен кон­цен­тра­ции С рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва (ус­та­нов­ле­но нем. учёным А. Бе­ром, 1852). В ре­аль­ных га­зах и рас­тво­рах это вы­пол­ня­ет­ся не все­гда.

Спек­тры по­гло­ще­ния мо­гут быть на­столь­ко ин­ди­ви­ду­аль­ны­ми, что по ним мож­но эф­фек­тив­но кон­тро­ли­ро­вать хи­мич. со­став рас­тво­ров. Напр., аде­к­ват­ным спо­со­бом про­вер­ки под­лин­но­сти ал­ко­голь­ной про­дук­ции яв­ля­ет­ся из­ме­ре­ние спек­тров по­гло­ще­ния, ин­ди­ви­ду­аль­ных не толь­ко для про­из­во­ди­те­лей, но и для поч­вы, на ко­то­рой рос ви­но­град.

При вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях све­та на­чи­на­ют про­яв­лять­ся не­ли­ней­ные эф­фек­ты, α ста­но­вит­ся функ­ци­ей ин­тен­сив­но­сти све­та и за­кон Бу­ге­ра на­ру­ша­ет­ся (не­ли­ней­ное П. с.). Та­кие эф­фек­ты мо­гут про­ис­хо­дить и при од­но­вре­мен­ном по­гло­ще­нии не­сколь­ких фо­то­нов (см. Мно­го­фо­тон­ное по­гло­ще­ние све­та). Ин­тен­сив­ность флук­туи­рую­ще­го по­то­ка фо­то­нов при этом ста­би­ли­зи­ру­ет­ся; изъ­я­тие фо­то­нов из ис­ход­но­го пуч­ка мо­жет про­ис­хо­дит пáрами (двух­фо­тон­ное по­гло­ще­ние), трой­ка­ми и т. д. Про­ре­жи­ва­ние пуч­ка про­ис­хо­дит в мес­тах наи­боль­шей кон­цен­тра­ции фо­то­нов, т. е. во флук­туа­ци­он­ных вспле­сках ин­тен­сив­но­сти. В ре­зуль­та­те вспле­ски сгла­жи­ва­ют­ся и по­ток фо­то­нов ста­но­вит­ся бо­лее ре­гу­ляр­ным. В та­ких не­ли­ней­ных про­цес­сах эф­фек­тив­ность по­дав­ле­ния фо­тон­ных флук­туа­ций не­вы­со­ка, тем не ме­нее они по­зво­ля­ют сни­зить фо­тон­ные шу­мы да­же ни­же уров­ня шу­ма иде­аль­но­го ла­зе­ра, что осо­бен­но важ­но в сверх­точ­ных оп­тич. из­ме­ре­ни­ях.

Про­ти­во­по­лож­ным про­цес­сом яв­ля­ется не­ли­ней­ный на­сы­ще­ния эф­фект, обу­слов­лен­ный тем, что очень боль­шая до­ля по­гло­щаю­щих час­тиц, пе­рей­дя в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и ос­та­ва­ясь в нём срав­ни­тель­но дол­го, те­ря­ет спо­соб­ность по­гло­щать свет, что за­мет­но из­ме­ня­ет ха­рак­тер П. с. сре­дой. Ко­гда поч­ти все элек­тро­ны ве­ще­ст­ва под дей­ст­ви­ем све­та пе­ре­хо­дят в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и по­гло­щаю­щих час­тиц нет, на­сту­па­ет т. н. про­свет­ле­ние среды – прак­ти­че­ски пол­ное от­сут­ст­вие по­гло­ще­ния (см. Про­свет­ле­ния эф­фект).

Ес­ли в по­гло­щаю­щей сре­де ис­кус­ст­вен­но соз­да­на ин­вер­сия на­се­лён­но­стей, то ка­ж­дый фо­тон из па­даю­ще­го по­то­ка име­ет бóльшую ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­вать ис­пус­ка­ние точ­но та­ко­го же фо­то­на, чем быть по­гло­щён­ным са­мо­му (см. Вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние). В этом слу­чае ин­тен­сив­ность вы­хо­дя­ще­го све­та пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го, т. е. име­ет ме­сто уси­ле­ние све­та, а по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α ста­но­вит­ся от­ри­ца­тель­ным, по­это­му та­кое яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся от­ри­ца­тель­ным П. с. На нём ос­но­ва­но дей­ст­вие кван­то­вых ге­не­ра­то­ров (ла­зе­ров) и кван­то­вых уси­ли­те­лей.

Не­ли­ней­ные эф­фек­ты по­гло­ще­ния мо­гут про­яв­лять­ся не толь­ко при боль­ших ин­тен­сив­но­стях из­лу­че­ния. Напр., для са­мо­про­из­воль­но­го по­тем­не­ния солн­це­за­щит­ных оч­ков с ме­няю­щей­ся про­зрач­но­стью дос­та­точ­но яр­ко­го сол­неч­но­го све­та.

П. с. ис­поль­зу­ет­ся в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки. На нём ос­но­ва­ны осо­бо вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ные ме­то­ды ко­ли­че­ст­вен­но­го и ка­че­ст­вен­но­го хи­мич. ана­ли­за (в ча­ст­но­сти, аб­сорб­ци­он­ный спек­траль­ный ана­лиз), спек­тро­фо­то­мет­рия, ко­ло­ри­мет­рия и др. Вид спек­тра П. с. уда­ёт­ся свя­зать с хи­мич. струк­ту­рой ве­ще­ст­ва; по ви­ду спек­тра мож­но так­же ис­сле­до­вать ха­рак­тер дви­же­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, вы­яс­нить зон­ную струк­ту­ру по­лу­про­вод­ни­ков и др.