Поглощение света материалами

Поглощение светового потока зависит от длины волны и характеризуется избирательным и неизбирательным рассеянием света в различных однородных и неоднородных средах, к которым относятся светофильтры, негативные и позитивные изображе­ния, светочувствительные слои и др. Все прозрачные слои характери­зуются спектральными полосами поглощения от долей до сотен нано­метров, определяющими окраску среды в проходящем белом свете. Например, стекло толщиной 10 мм поглощает 10 % света; атмосфера Земли по-разному поглощает свет в зависимости от высоты солнца над горизонтом; на большую глубину моря свет совсем не проходит. Поглощение света прозрачными телами с равномерным распределе­нием в них светопоглощающего вещества объясняется законами Бугера-Ламберта-Бера: с увеличением толщины погло­щающего слоя световой поток поглощается экспоненциально с экспо­ненциальным уменьшением пропускаемого потока; слои вещества определенной толщины поглощают определенную часть моно­хроматического светового потока; степень поглощения света прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества.

Закон Бугера-Ламберта-Бера был экспериментально открыт французским ученым П. Бугером (P. Bouguer) в 1729 г., а в 1760 г. немецкий ученый И. Г. Ламберт (J. H. Lambert) вывел его теоретически и придал ему удобную математическую форму, которой пользуются и в настоящее время. В 1852 г. немецким ученым А. Бером (A. Beer) закон был сформулирован для растворов. В начале XX в. С. И. Вавилов экспериментально показал, что в пределах очень широких изменений плотности излучения (в 10²⁰ раз) по­казатель поглощения многих веществ остается постоянным. Вместе с тем С. И. Вавилов отметил, что, ис­ходя из общих положений, следует ожидать уменьшения пока­зателя поглощения в тех случаях, когда вещество попадает в ус­ловия очень высоких освещенностей.

Со временем это утверждение полностью подтвердилось. Оказалось, что для некоторых материалов, помещенных в поле чрезвычайно высоких пространственных освещенностей (по­рядка 10¹³-10¹⁴ лм/см²), можно наблюдать не только замет­ное уменьшение показателя поглощения, но даже изменение его знака. Показатель поглощения делается отрицательным, и пу­чок света, проходящий через такой материал, не ослабляется, а усиливается и притом очень значительно. Закон сохранения энергии при этом, конечно, не нарушается, так как увеличение мощности рассматриваемого пучка происходит за счет энергии «подсветки». Это явление можно наблюдать в квантовых генераторах.

Поглощающую способность прозрачной среды принято оценивать единичной толщиной ее слоя x с определённой концентрацией в ней поглощающего вещества C. За единицу толщины слоя принят 1 мм, а концентрация выражается в г/см³. Практически концентрация светопоглощающего вещества принимается постоянной, а толщина слоя выбирается в зависимости от требований к степени избирательности поглощения. Это правило применяется в основном для однородных чисто прозрачных сред, например светофильтров, и с достаточной точ­ностью — для изображений цветных негативов и позитивов, получае­мых из красителей на многослойных цветных пленках.

При одинаковой концентрации светопоглощающего вещества уве­личение толщины слоя приводит к увеличению спектральной избира­тельности поглощения (насыщен­ности) и уменьшению количества пропущенного света. Рас­сеяние света в мутных и оптиче­ски неоднородных средах харак­терно отклонением от зависимос­тей, показанных законами Бугера -Ламберта - Бера. Светопоглощением характеризуются и про­зрачные тела (стекло, светофильт­ры) и фотографические слои (нега­тивы и позитивы на прозрачной подложке).

В светотехнике и фотометрии поглощение в основном характеризуется опти­ческой плотностью D. Оптической плотностью пользуются очень широко и часто в расчетах предпочитают ее коэффициенту пропускания или поглощения. Это происходит по двум причинам. Первая (она имеет существенное значение для химиков) состоит в том, что во многих случаях оптическая плотность раствора пропорциональна количеству растворенного вещества. Часто можно считать, что растворитель практически не поглощает проходящего излучения. Тогда справедлив закон Бeра, согласно которому показатель поглощения a ра­створа пропорционален его концентрации C. В таком случае можно написать, что a=kC, где k - удельный показатель погло­щения растворенного вещества, рассчитанный на единичную концентрацию (число, показывающее степень монохроматического поглощения данного веще­ства в слое 1 мм (удельная плотность).. Таким образом, плотность прямо пропорциональна концент­рации светопоглощающего веще­ства C в слое и толщине cлоя:

D == kCx.

Другая причина, по которой предпочтительнее использование оптической плотности,

состоит в том, что она пропорциональна толщине х поглощающего слоя, в отличие от коэффициента пропускания t,который является показательной функцией еготолщины:

t=10^-ах

Численно оптическая плотность D определяется как десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания:

D=lg(1/t)=ax.

За еди­ницу оптической плотности D =1 принимается плотность, ослабляющая падающий световой поток в 10 раз (при t= 0,1: D =lg(1/0,1)=lg10=1).

В практике видео-кино-фотосъемок нейтрально-серые светофильтры обозначаются плотностями 0,3; 0,6; 0,9 и т.д., включая промежуточные значения. Если выполнить несложный расчет, то увидим, что каждая ступень плотности равная 0,3 будет почти соответствовать 2-кратному уменьшению падающего светового потока, т.е. t= 0,5 (t= 50%).

Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Например, 0,3+0,3=0,6, а световой поток уменьшится в 4 раза, т.е. t= 0,25 (t= 25%). В таблицах 2 и 3 приведены соотношения между плотностью D и коэффициентом пропускания t.

Таблица 2. Соотношения между оптической плотностью D