Большая Советская Энциклопедия (ПО) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 22

  П. з. в твёрдых телах определяется в основном внутренним трением и теплопроводностью среды, а на высоких частотах и при низких температурах — различными процессами взаимодействия звука с внутренними возбуждениями в твёрдом теле, такими, как фононы, электроны, спиновые волны и пр. Величина П. з. в твёрдом теле зависит от кристаллического состояния вещества (в монокристаллах П. з. обычно меньше, чем в поликристаллах), от наличия дефектов, примесей и дислокаций , от предварительной обработки, которой был подвергнут материал. В металлах, подвергнутых предварительной термообработке, а также ковке, прокатке и т.п., П. з. часто зависит от амплитуды звука. Во многих твёрдых телах при не очень высоких частотах a ~ w, поэтому величина добротности не зависит от частоты и может служить характеристикой потерь материала. Самое малое П. з. при комнатных температурах было обнаружено в некоторых диэлектриках, например в топазе, берилле, железоиттриевом гранате (a ~ 15 дб/см при f = 9 Ггц ). В металлах и полупроводниках П. з. всегда больше, чем в диэлектриках, поскольку имеется дополнительное поглощение, связанное с взаимодействием звука с электронами проводимости. В полупроводниках это взаимодействие при определённых условиях может приводить к «отрицательному поглощению», т. е. к усилению звука (см. Усиление ультразвука ). С ростом температуры П. з., как правило, увеличивается.

  Наличие неоднородностей в среде приводит к увеличению П. з. В различных пористых и волокнистых веществах П. з. велико, что позволяет применять их для заглушения и звукоизоляции.

  Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов И. Г., Соловьев В. А. и Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, т. 3, ч. Б, М., 1968—1969: т. 7, М., 1974; Труэлл P., Эльбаум Ч., Чик Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972.

  А. Л. Полякова.

Поглощение света

Поглоще'ние све'та, уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П. с. переходит в различные формы внутренней энергии среды; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

  Основной закон, описывающий П. с., — закон Бугера

, который связывает интенсивности I света, прошедшего слой среды толщиной l , и исходного светового потока I . Не зависящий от I, I и l коэффициент k_l называется поглощения показателем (ПП, в спектроскопии — поглощения коэффициентом); как правило, он различен для разных длин света l. Этот закон установил на опыте в 1729 П. Бугер . В 1760 И. Ламберт вывел его теоретически из очень простых предположений, сводящихся к тому, что при прохождении слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на долю, которая зависит только от ПП и толщины слоя, т. е. dl/l= —k_ldl (дифференциальная, равносильная первой, запись закона Бугера). Физический смысл закона состоит в том, что ПП не зависит от I и l (это было проверено С. И. Вавиловым экспериментально с изменением I ~ в 10²⁰ раз).

  Зависимость k_l от l называется спектром поглощения вещества. Для изолированных атомов (например, в разреженных газах) он имеет вид набора узких линий, т. е. k _l отличен от 0 лишь в определённых узких диапазонах длин волн (шириной в десятые — сотые доли

). Эти диапазоны соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов, «резонирующих» с проходящим излучением и поэтому поглощающих из него энергию (рис. 1 ). Спектры П. с. отдельных молекул также соответствуют собственным частотам, но гораздо более медленных колебаний внутри молекул самих атомов, которые значительно тяжелее электронов. Молекулярные спектры П. с. занимают существенно более широкие области длин волн, т. н. полосы поглощения, шириной от единиц до тысяч . Наконец, П. с. жидкостями и твёрдыми телами обычно характеризуется очень широкими областями (тысячи и десятки тысяч ) с большими значениями k_l и плавным ходом его изменения (рис. 2 ). Качественно это можно объяснить тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче всему коллективу частиц энергии, отданной светом одной из них. Другими словами, со световой волной «резонируют» не только отдельные частицы, но и многочисленные связи между ними. Об этом свидетельствует, например, изменение П. с. молекулярными газами с ростом давления — чем выше давление (чем сильнее взаимодействие частиц), тем «расплывчатее» полосы поглощения, которые при высоких давлениях становятся сходными со спектрами П. с. жидкостями.

  Ещё Бугер высказал убеждение, что для П. с. важны «не толщины, а массы вещества, содержащиеся в этих толщинах». Позднее немецкий учёный А. Бер (1852) экспериментально подтвердил это, показав, что при П. с. молекулами газа или вещества, растворённого в практически непоглощающем растворителе, ПП пропорционален числу поглощающих молекул на единицу объёма (и, следовательно, на единицу длины пути световой волны), т. е. концентрации с: k_l = c_lс (правило Бера). Так закон П. с. приобрёл вид Бугера — Ламберта — Бера закона ;

; где c_l не зависит от концентрации и характеризует молекулу поглощающего вещества. Физический смысл правила Бера состоит в утверждении независимости П. с. молекулами от их взаимодействия с окружением, и в реальных газах (даже при невысоких давлениях) и растворах наблюдаются многочисленные отступления от него.

  Сказанное выше относится к средам сравнительно малой оптической толщины , равной (в пренебрежении рассеянием света) k_l l. При возрастании k_ll П. с. средой усиливается на всех частотах — линии и полосы поглощения расширяются. (Объяснение этому даёт квантовая теория П. с., учитывающая, в частности, многократное рассеяние фотонов в оптически «толстой» среде с изменением их частоты и, в конечном счёте, поглощением их частицами среды.) При достаточно больших k_ll среда поглощает всё проникающее в неё излучение как абсолютно чёрное тело .

  В проводящих средах (металлах , плазме и т.д.) световая энергия передаётся не только связанным электронам, но и (часто преимущественно) свободным электронам, k_l в таких средах сильно зависит от их электропроводности а. Значительное П. с. в проводящих средах очень сильно влияет на все процессы распространения света в них; это формально учитывается тем, что член, содержащий k_l входит в выражение для комплексного преломления показателя среды. В несколько идеализированном случае П. с. только свободными электронами (электронами проводимости) nk_l = 4ps/c (n — действительная часть показателя преломления, с — скорость света ). Измерения П. с. металлами позволяют определить многие характерные их свойства; опытные данные при этом хорошо описываются современной квантовой теорией металлооптики . В теоретических расчётах часто пользуются величиной c, связанной с k_l   соотношением

, где l — длина волны света в вакууме (а не в среде). Если (n c) равно 1, то в слое среды толщиной l интенсивность света уменьшается в е^4p, т. е. ~ в 100 000 раз. Т. к. очень сильное П. с. характерно для металлов (по крайней мере в видимой и инфракрасной областях спектра), то, по предложению М. Планка , П. с. средами с (n c) ³ 1 называется «металлическим».