Оптика

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: напряженность электрического поля E, вектор индукции магнитного поля B и скорость распространения волны v образуют правую тройку векторов. Действие света на вещество определяется в основном колебаниями вектора напряженности. В соответствии с этим вектор напряженности называют еще световым вектором.

Рассмотрим два взаимно перпендикулярные электрические колебания (вдоль осей x и y), отличающиеся по фазе на

, . (1)

Результирующая напряженность E является их векторной суммой. Угол между вектором E и осью x определяется выражением

. (2)

Естественный свет. Поляризованным называется свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Если разность фаз претерпевает случайные хаотические изменения, то и угол , т.е. направление светового вектора E, будет испытывать скачкообразные изменения. На этом основании естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность.

Плоско поляризованный свет. Допустим, что разность фаз постоянна и равна нулю или (когерентные волны). Тогда согласно (2)

.

Следовательно, результирующее колебание совершается в фиксированном направлении. - волна оказывается плоско поляризованной.

Круговая и эллиптическая поляризация света. Допустим теперь, что . С учетом с помощью уравнения (1) можно получить

.

Следовательно, световой вектор в некоторой точке описывает при прохождении волны эллипс, оси которого ориентированы вдоль x и y. Такая волна называется эллиптически поляризованной. При произвольном постоянном в общем случае получается эллиптическая поляризация, причем оси эллипса не совпадают с осями координат.

При разности фаз равной нулю или , эллипс вырождается в прямую и получается плоско поляризованный свет. При и равенстве амплитуд складываемых волн эллипс вырождается в окружность - получается циркулярно поляризованный (поляризованный по кругу) свет.

В зависимости от направления вращения вектора E различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Будем наблюдать за вращением вектора E со стороны, в которую движется волна. Если его вращение происходит по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае - левой.

Плоскость, в которой лежит световой вектор в плоско поляризованной волне, называется плоскостью колебаний. По историческим причинам плоскостью поляризации называется плоскость, перпендикулярная в плоскости колебаний, т.е. плоскость в которой лежит вектор B.

Плоско поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные некоторой плоскости (плоскости поляризатора), и полностью или частично задерживают колебания перпендикулярные этой плоскости. На выходе из поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями другого. Такой свет называется частично поляризованным. Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных плоско поляризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. В случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного - разная.

Если пропустить частично поляризованный свет через идеальный поляризатор, то при его вращении вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от до . Выражение

(3)

называется степенью поляризации. Для плоско поляризованного света и ; для естественного света и . К эллиптически и циркулярно поляризованному свету, колебания которых полностью упорядочены, понятие степени поляризации не применимо, поскольку формальное применение (3) дает .

Пусть на идеальный поляризатор падает плоско поляризованный свет амплитуды A и интенсивности Исходное колебание можно разложить на два взаимно перпендикулярных колебания с амплитудами и , где - угол между плоскостью поляризатора и плоскостью колебаний падающего света. Первое колебание пройдет через поляризатор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшего света пропорциональна , т.е. равна

. (4)

Соотношение (4) носит название закона Малюса.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоско поляризованный свет, интенсивность которого составляет половину интенсивности естественного света . После прохождения через два поляризатора интенсивность света будет равна

.

Максимальная интенсивность света () получается при 0 (поляризаторы параллельны). При скрещенных поляризаторах интенсивность равна нулю (свет не проходит).

Пусть эллиптически поляризованный свет падает на поляризатор. Он пропустит составляющую вектора E, параллельную плоскости поляризатора (рис.). Амплитуда и интенсивность плоско поляризованного на выходе света зависит от ориентации поляризатора. Она максимальна при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса и минимальна при совпадении первой с малой полуосью эллипса. Такой же характер изменения интенсивности света при вращении поляризатора получается в случае частично поляризованного света. В случае циркулярно поляризованного света вращение поляризатора не сопровождается, как и в случае естественного света, изменением интенсивности прошедшего света.

Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Если угол падения на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла) отличен от нуля, отраженный и преломленный луч оказываются частично поляризованными. В отраженном свете преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче - колебания параллельные плоскости падения (рис.).

Степень поляризации отраженного и преломленного лучей можно получить с помощью формул Френеля. Эти формулы выводятся из граничных условий для электромагнитного поля на границе раздела двух диэлектриков. Каждую (падающую, отраженную, преломленную) световую волну можно представить в виде суперпозиции двух волн, колебания в одной из которых совершаются в плоскости падения, а в другой - перпендикулярно этой плоскости. В обозначениях

и - амплитуды падающих волн,

и - амплитуды отраженных волн,

и - амплитуды преломленных волн,

формулы Френеля имеет следующий вид

, , (5)

, , (6)

Из этих формул вытекает, что преломление происходит при всех условиях без изменения фазы волны. При отражении происходит изменение фазы, зависящее от следующих условий. При падении под углом, меньшим угла Брюстера (см. ниже), отражение от оптически более плотной среды сопровождается изменением фазы на ; отражение от оптически менее плотной среды происходит без изменения фазы. В случае, когда , фазовые соотношения для обеих компонент оказываются различными.

Обозначим через угол падения, при котором (отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны). Из первой формулы получается, что при падении под углом амплитуда обращается в нуль. Следовательно, в отраженной волне присутствуют лишь колебания, перпендикулярные к плоскости падения, - отраженная волна полностью поляризована. Из закона преломления несложно установить, что

. (7)

Это соотношение носит название закона Брюстера, а угол называют углом Брюстера.

С помощью формул Френеля можно определить интенсивности отраженного и преломленного света. Для малых углов падения в результате получается

, .

Поляризация при двойном лучепреломлении. При прохождении света через все прозрачные кристаллы, за исключением кристаллов, принадлежащих к кубической системе, наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространяющиеся, вообще говоря, с разными скоростями и в разных направлениях.

Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов имеется одно направление, вдоль которого лучи распространяются, не разделяясь, с одинаковой скоростью. Это направление называются оптической осью кристалла. У двухосных кристаллов имеются два таких направления (две оптические оси).

У одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой o. Другой луч называется необыкновенным и обозначается буквой e. Преломление необыкновенного луча происходит по другому закону. Даже при нормальном падении света на кристалл необыкновенный луч, вообще говоря, отклоняется от нормали. Кроме того, необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. У двухосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные. В дальнейшем речь будет идти только об одноосных кристаллах.

Исследования показывают, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость, проходящая через луч света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением) кристалла. Колебания светового вектора в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном - в главной плоскости (рис.).

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость зависит от направления. В одноосных кристаллах в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеет различные значения и . В других направлениях имеет промежуточное значение. Показатель преломления . Для большинства прозрачных веществ практически 1, поэтому можно считать .

В обыкновенном луче световой вектор перпендикулярен оптической оси кристалла и, следовательно, скорость распространения луча для всех направлений будет одна и та же . Расстояние от точечного источника света до волновой поверхности пропорциональна лучевой скорости в соответствующем направлении. Поэтому, если в кристалле находится такой источник, то волновая поверхность для обыкновенных лучей является сферой.

В необыкновенном луче световой вектор лежит в главной плоскости. Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, световой вектор перпендикулярен оптической оси. Скорость распространения луча в этом направлении такая же как для обыкновенного . Для луча, распространяющегося перпендикулярно оси, . Для других лучей скорость имеет промежуточное значение. Можно показать, что волновая поверхность необыкновенных лучей представляет собой эллипсоид вращения. В местах пересечения с оптической осью волновой эллипсоид необыкновенного луча и волновая сфера обыкновенного соприкасаются.

Одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча и показателем преломления необыкновенного луча . В зависимости от того, какая из скоростей, или , больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы (рис.). У положительных кристаллов (или ). У отрицательных кристаллов (или ).

Ход обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле можно определить с помощью принципа Гюйгенса. При построении, нужно учитывать, что лучами являются линии, вдоль которых распространяется энергия световой волны. Как будет видно ниже, нормаль к волновой поверхности не обязательно совпадает с направлением луча.

На рис. изображены три случая нормального падения света на поверхность кристалла, отличающиеся направлением оптической оси. В случае а лучи o и e распространяются вдоль оптической оси не разделяясь. В случае б оптическая ось кристалла параллельна преломляющей поверхности. При нормальном падении света обыкновенный и необыкновенный лучи идут в одном направлении, но с разной скоростью. В случае в обыкновенный луч o после преломления распространяется вдоль нормали к поверхности кристалла. Необыкновенный же луч e заметно отклоняется от нормали.

Анализ поляризованного света. Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает плоско поляризованный свет (рис.). Внутри пластинки он делится на обыкновенный и необыкновенный лучи, которые в кристалле движутся в одном направлении с разными скоростями. На входе в пластинку разность фаз этих лучей равна нулю, на выходе из пластинки

.

Вырезанная параллельно оптической оси пластинка, для которой

,

называется пластинкой в четверть волны. При прохождении через такую пластинку обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают разность фаз /2.

Плоско поляризованный свет, можно представить как суперпозицию двух волн, поляризованных вдоль оптической оси кристалла и перпендикулярного ей направления (т.е. обыкновенного и необыкновенного луча) с разностью фаз, равной нулю. Пластинка, при прохождении этих лучей, внесет разность фаз /2. Следовательно, плоско поляризованный свет превращается в эллиптически поляризованный (в частном случае в циркулярно поляризованный). Параметры поляризации определяются разностью фаз и углом между плоскостью поляризации исходной волны и оптической осью кристалла.

Эллиптически поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух волн, поляризованных вдоль главных полуосей эллипса, с разностью фаз /2 (в случае циркулярно поляризованного света в виде волн, поляризованных вдоль любых двух взаимно перпендикулярных направлений). Если на пути эллиптически поляризованного света поместить пластинку в четверть волны, оптическая ось которой ориентирована параллельно одной из осей эллипса (в случае циркулярно поляризованного ориентация пластинки произвольна), то она внесет дополнительную разность фаз /2. Результирующая разность фаз станет равной нулю или .

Циркулярно поляризованный свет, пройдя пластинку, становится плоско поляризованным. Если на пути луча поставить поляризатор, то можно добиться полного его гашения. Если же падающий свет естественный, то он при прохождении пластинки таковым и останется (при любом положении пластинки и поляризатора интенсивность прошедшего поляризатор луча не меняется).

Эллиптически поляризованный свет, пройдя соответствующим образом ориентированную пластинку (ее оптическая ось совпадает по направлению с одной из осей эллипса), превращается в плоско поляризованный. Прошедший свет можно погасить поворотом поляризатора. При произвольной ориентации пластинки на выходе получится эллиптическая поляризация, но с другими параметрами.

Таким образом, с помощью пластинки в четверть волны и поляризатора можно отличить эллиптически поляризованный свет от частично поляризованного или циркулярно поляризованный свет от естественного.

Искусственное двойное лучепреломление. В прозрачных аморфных телах, а также кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий. Первоначально оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла); 2) электрического поля - эффект Керра (жидкости, аморфные тела, газы); 3) магнитного поля - явление Коттон-Мутона (жидкости, стекла). Вещество при указанных воздействиях приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно.

Возникающая при воздействии оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей (для последнего в направлении перпендикулярном оптической оси)

(в случае деформации);

(в случае электрического поля);

(в случае магнитного поля),

где , , - постоянные, характеризующие вещество, - нормальное напряжение, E и H - соответственно напряженность электрического и магнитного полей.

Двойное лучепреломление при деформации связано с деформационной анизотропией первоначально изотропного кристалла. Эффект Керра (как и явление Коттон-Мутона) объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. Под действием электрического поля молекулы, обладающие дипольным моментом, приобретают преимущественную ориентацию по полю. Аналогичная ситуация возникает в магнитном поле, если молекулы вещества обладают собственным магнитным моментом.

Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества (кварц, сахар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. Кварц, который является одноосным кристаллом, при пропускании света вдоль оптической оси должен был бы вести себя как изотропное тело. Однако опыт показывает, что при прохождении через кварц плоско поляризованного света происходит вращение плоскости поляризации.

Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

, (1а)

для оптически активных растворов

, (1б)

где d - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, - коэффициент ([] - называется удельным вращением), равный углу поворота поляризации света слоем вещества единичной толщины (и единичной концентрации - для растворов), C - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе. Удельное вращение зависит (кроме природы вещества) от температуры и длины волны света в вакууме.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором - влево (против часовой стрелки). Направление вращения не зависит от направления луча. Поэтому, если луч, прошедший через оптически активный кристалл, отразить зеркалом в обратном направлении, то восстановится положение плоскости поляризации.

Френель предположил, что явление вращения поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления: причиной вращения является различие в скорости распространения левого и правого циркулярно поляризованного света. При этом для правых веществ большее значение имеет скорость правокруговой волны (), а для левых веществ - наоборот ().

Плоско поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух циркулярно поляризованных волн, правой и левой, с одинаковой частотой и амплитудой. Предположим, что две такие волны распространяются в направлении оси z. Результирующую волну можно представить уравнением

.

Действительную часть этого выражения рассматриваем как x составляющую светового вектора, мнимую - как y составляющую. При распространении в оптически неактивной среде и волна описывается уравнением

,

т.е. является плоско поляризованной.

При распространении в оптически активной среде направление колебаний светового вектора меняется по закону

.

Следовательно, при прохождении в веществе пути l происходит поворот плоскости поляризации на угол

. (2)

Формула (2) показывает, что в веществах, для которых плоскость поляризации поворачивается влево, а в веществах, для которых - вправо.

Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Угол поворота плоскости поляризации света

, (3)

где коэффициент V называется постоянной Верде, l - длина пути, H - напряженность магнитного поля.

Направление вращения определяется направлением магнитного поля. Поэтому, если отразить луч зеркалом в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится по сравнению с однократным прохождением.

Взаимодействие света с веществом

Дисперсия света. Световая волна в вакууме представляет собой переменное электромагнитное поле высокой частоты, распространяющееся с постоянной скоростью, не зависящей от частоты. Последнее обстоятельство можно считать надежно установленным наблюдениями над астрономическими явлениями. Так, исследования затмения удаленных двойных звезд не обнаруживает никаких аномалий в спектральном составе света, доходящего до нас в начале и конце затмений.

При попадании в обычные среды свет испытывает изменение скорости, и притом для разных частот скорость оказывается различной, т.е. n показатель преломления зависит от частоты или длины волны в вакууме . Эта зависимость (как и зависимость фазовой скорости световых волн) называется дисперсией света. Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через одну или несколько преломляющих поверхностей, например, через призму.

Величина

, (4)

называемая дисперсией вещества, показывает как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны. Для всех прозрачных бесцветных веществ зависимость имеет в видимой части спектра характер, показанный на рис. С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, так что дисперсия вещества отрицательна и растет по модулю с уменьшением .

Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи нее ход дисперсии обнаруживает аномалию (рис.). На этом участке дисперсия вещества оказывается положительной. Такой ход зависимости называется аномальной дисперсией.

Групповая скорость. Рассмотрим две плоские волны одинаковой амплитуды и близкими . Напишем уравнения этих волн, считая начальные фазы равными нулю

,

.

Здесь , . Пусть , соответственно . При наложение таких волн, получается волна, которая имеет вид

(во втором множителе опущены малые члены, имеющие порядок и k).

Первый множитель изменяется с x и t значительно медленнее, чем второй. Поэтому результирующую волну можно рассматривать как плоскую с переменной амплитудой

.

Ее можно рассматривать также как набор волновых пакетов с границами . Эти волновые пакеты, как нетрудно видеть, перемещаются со скоростью

. (5)

Полученное выражение представляет собой групповую скорость для группы, образованной двумя составляющими.

Реальный сигнал, представляющий собой импульс или их последовательность, можно рассматривать как суперпозицию монохроматических волн ограниченного интервала частот (волновой пакет). Соответствующий анализ показывает, что импульс (волновой пакет) распространяется со скоростью

. (6)

Выражению (6) можно придать другой вид. Заменив на vk, получим

. (7а)

Из соотношения вытекает, что . Подставив это значение в (7а), получим

. (7б)

В зависимости от знака групповая скорость u может быть как меньше, так и больше фазовой скорости. В отсутствие дисперсии и групповая скорость совпадает с фазовой.

Максимум интенсивности приходится на центр группы волн. Поэтому скорость переноса энергии волной совпадает с групповой скоростью. Понятие групповой скорости как скорости переноса энергии применимо, если поглощение энергии волны невелико. Так, в области аномальной дисперсии поглощение очень велико и понятие групповой скорости здесь утрачивает смысл.

Электронная теория дисперсии. Взаимодействие света и вещества определяется взаимодействием электрического поля световой волны с электронами (и ионами) вещества. Из электромагнитной теории Максвелла следует, что абсолютный показатель преломления среды

,

где - диэлектрическая проницаемость среды, - магнитная проницаемость. Для большинства веществ практически равно единице, поэтому

. (8)

Таким образом, зависимость показателя преломления от длины волны найдется из зависимости диэлектрической проницаемости от частоты переменного электрического поля. Будем считать, что в отсутствие внешнего поля электроны и ионы, образующие молекулы или атомы диэлектрика, находятся в состоянии равновесия. Под влиянием электрического поля эти заряды смещаются из положения равновесия - молекулы или атомы поляризуются. Для простоты положим, что в среде имеется лишь один сорт атомов и в каждом из них способен смещаться только один электрон. Наведенный дипольный момент атома равен , где e - заряд электрона, r - его смещение от положения равновесия. Если концентрация атомов в диэлектрике равна na, то поляризация среды

. (9)

Зная электрическую поляризацию среды, можно вычислить ее диэлектрическую проницаемость. По определению вектор электрической индукции , поэтому . С помощью (8) и (9) получим

. (10)

Задача сводится, таким образом, к определению смещения r электрона под действием внешнего поля E. Для монохроматической световой волны это поле является гармонической функцией времени, т.е.

. (11)

Будем считать, что электрон в атоме удерживается упругой силой. Это значит, что электрон, выведенный из равновесия, совершает свободные колебания с частотой , где k - константа упругой связи, m - масса электрона. Под действием внешней гармонической силы электрон совершает вынужденные колебания с частотой внешней силы. Колебания электрона описываются уравнением

,

решение которого имеет вид

, (12)

где .

Подставляя (11) и (12) в (10) получим

. (13)

Если в атоме или молекуле вещества имеется несколько сортов зарядов (с зарядом и массой ), способных совершать колебания с собственными частотами , то

. (14)

Таким образом, простая модель взаимодействия света с веществом объясняет явление дисперсии света и определяет функциональную зависимость . При наличии одной собственной частоты (показатель преломления меняется по закону (13)) график зависимости имеет вид, изображенный на рис. В области n больше единицы и возрастает с увеличением (нормальная дисперсия). В области n меньше единицы и растет с частотой (нормальная дисперсия). Вблизи собственной частоты терпит разрыв и становится мнимой (этот случай соответствует поглощению света). Такое поведение показателя преломления обусловлено тем, что в расчете не учитывалось трение (трение излучения и др. факторы). Учет сил трения приводит к зависимости вблизи , показанной на рис. штриховой линией AB. Область AB - область аномальной дисперсии (n убывает при возрастании ).

Перейдя от к получим кривую, изображенную на рис. Участки 1-2 и 3-4 соответствуют нормальной дисперсии (). На участке 2-3 дисперсия аномальна (). Пунктирная кривая на этом рис. изображает ход коэффициента поглощения света веществом. Поглощение наиболее выражено в области аномальной дисперсии. Такое совпадение неслучайно, поскольку поглощение света становится особенно интенсивным при резонансной частоте.

Поглощение (абсорбция) света. При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение и поддержание колебаний электронов. Частично эта энергия возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых электронами; частично же она переходит в энергию движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества. Поэтому интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается - свет поглощается в веществе. Это явление называется поглощением или абсорбцией света.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера

,

где I0 и I - интенсивности плоской монохроматической волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной l, - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны и индивидуален для каждого вещества. Например, одноатомные газы (атомы которых можно считать изолированными, поскольку они находятся на значительных расстояниях друг от друга) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (примерно 10-12-10-11 м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах.

В случае многоатомных газов обнаруживаются частоты поглощения, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Спектр поглощения таких газов имеет вид линейчатых полос (полосы поглощения шириной 10-10-10-7 м). Молекулу можно рассматривать как систему связанных осцилляторов, у которых наряду с жесткими связями (электронов с атомами) имеются более мягкие связи (между отдельными атомами молекулы). Поэтому молекула обладает набором близко расположенных собственных частот колебаний, которые обуславливают линейчатые полосы поглощения (а не одиночные линии как у одноатомных газов).

Коэффициент поглощения диэлектриков невелик (примерно 10-3-10-5 см-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда резко возрастает, и наблюдаются сплошные полосы поглощения (сплошной спектр поглощения). Расширение отдельных линий, соответствующих собственным частотам атомов и молекул диэлектрика, до сплошной полосы поглощения обусловлено взаимодействием молекул друг с другом (добавляются еще более мягкие связи молекул между собой, в результате чего возникают дополнительные близко расположенные частоты собственных колебаний).

Коэффициент поглощения металлов имеет большие значения (примерно 103-105 см-1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах, из-за наличия свободных электронов, под действием электрического поля возникают быстропеременные токи. Энергия световой волны быстро уменьшается, переходя, из-за выделения джоулевой теплоты, во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители и т.д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

Явление поглощения 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 анализа веществ.

Рассеяние света. Свет, проходя вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны излучают вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. В случае однородной среды, согласно расчетам, вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Поэтому в идеально однородных средах рассеяния света не происходит. Вторичные волны не погашают друг друга только при распространении света в неоднородной среде. Результирующая интенсивность имеет довольно равномерное распределение по направлениям. В случае среды без посторонних включений источником оптических неоднородностей являются флуктуации плотности. Эти флуктуации вызваны тепловым движением молекул вещества. Таким образом, процесс рассеяние света сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами включений под действием света. Для сплошной среды рассеяние, по сути, является дифракцией волн на неоднородностях среды.