Взаимодействие видимого излучения с веществом

Видимая область спектра имеет диапазон 380-760 нм. Спектр видимого излучения может быть непрерывным, линейчатым, полосчатым в зависимости от природы источника и применяемых оптических элементов систем.
С точки зрения электронной теории взаимодействие света с веществом заключается в воздействии электромагнитного поля световой волны на внешние электроны вещества, в результате чего возбуждаются колебания связанных зарядов (ионов, электронов) в направлении, совпадающем с колебаниями электрического вектора падающей световой волны. В процессе вынужденных колебаний заряженных частиц в молекулах периодически с вынуждающей частотой изменяются их дипольные электрические моменты. При этом излучаются вторичные электромагнитные волны с длиной, равной длине волны падающего света. Первичные и вторичные волны когерентны между собой и могут взаимно интерферировать. При взаимодействии может возникнуть излучение, длина волны которого может отличаться от длины волны первичного излучения. Это явление называется комбинационным рассеянием света.
При падении световой электромагнитной волны на границу раздела двух различных сред в результате интерференции первичной и вторичной волн образуется отраженная волна, распространяющаяся в той же среде, что и первичная, и преломлённая волна, распространяющаяся во второй среде.
Зависимость коэффициента отражения вещества от длины волны R(?) называется спектром отражения. Видом спектра объясняется окрашенность вещества в отражённом свете.
Пространственное распределение отраженного излучения и его интенсивность определяются соотношением между А, и размером неровностей, их ориентаций и распределением на поверхности, условиями освещения и свойствами отражающей среды.
Если свет падает на плоскую поверхность (размеры неровностей поверхности существенно меньше ?) оптически однородного вещества, то угол падения первичной волны равен углу отражения вторичной волны. Такое отражение называется зеркальным. Зеркальная компонента, возникающая в результате отражения без прохождения внутрь, описывается формулой Френеля (при нормальном падении света):

показатель (коэффициент) поглощения вещества; n - показатель преломления при переходе из воздуха в вещество.
Для прозрачных кристаллов зеркальная компонента:

Диффузная составляющая отражённого света возникает как при взаимодействии световой волны с поверхностью вещества, так и при внутреннем отражении света от вещества.
Если поверхность вещества шероховата (размеры неровностей сопоставимы с длиной волны ? либо больше), то отражённый свет, вследствие пространственной ориентации микрограней, будет распространяться по всем направлениям.
Диффузная компонента отражённого света возникает также в результате попадания света в вещество и появления его на освещённой поверхности после многократного рассеяния на оптических неоднородностях в объёме вещества, вследствие дифракции (внутреннее отражение).
Чаще всего в реальных условиях имеет место смешанное отражение света.
Отражение света сопровождается его частичной поляризацией, в результате которой часть отражённого света приобретает определённую ориентацию векторов электрической и магнитной напряжённостей.
Преломление света меняет направление распространения световой волны при переходе из одной среды в другую по закону:

где ?1 и ?2 - углы соответственно падающей и преломлённой волн; n21 - относительный показатель преломления среды распространения преломлённого света (относительно среды распространения падающего света).
Преломление света наиболее значимо для прозрачных и полупрозрачных тел. Зависимость коэффициента пропускания вещества от длины волны ?(?) называется спектром пропускания вещества.
Прохождение света через вещество также сопровождается поглощением света, то есть потерей энергии волны.
Свет, отражённый от границы раздела сред, и свет, возвращающийся из второй среды в первую (выходящий из куска), распространяются в различных направлениях.
Если условно разделить возможные направления рассеяния первичного светового потока на рассеянный назад (отражённый) Фн, рассеянный вперёд Фп, рассеянный в стороны Фс и учесть, что часть первичного светового потока Ф0 поглощается телом, можно ввести коэффициенты:

При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникает ток, электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит практически к полному отражению света. В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определённой частоты. Поэтому непрозрачные вещества приобретают окраску.
Коэффициент отражения света R - величина, равная отношению потока энергии отражённой волны к потоку энергии волны, падающей на поверхность раздела двух сред.
Поглощение света - это уменьшение его интенсивности при прохождении через материальную среду за счёт его взаимодействия со средой.
Световая энергия при поглощении переходит в различные формы внутренней энергии среды (например, в тепловую), она также может быть переизлучена средой (полностью или частично) на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения (комбинационное рассеяние).
Закон Бугера описывает зависимость интенсивности прошедшего через слой вещества света от интенсивности исходного светового потока:

где Kл - линейный коэффициент поглощения, который имеет различные значения при разных ?, м-1; х — толщина слоя вещества, м.
Co световой волной «резонируют» (следовательно, поглощают некоторую энергию) атомы, молекулы и связи между ними, имеющие близкие частоты собственных колебаний.
Зависимость Kл от ?, называют спектром поглощения вещества. Характер собственных колебаний сказывается на характере связи Kл(?).
Этой зависимостью объясняется окрашенность поглощающих (неполная прозрачность или непрозрачность) тел.
Линейный коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (10-3/10-1 м-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света внутри вещества в определённых интервалах длин волн.
В диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.
Линейный коэффициент поглощения для металлов имеет значительно большие значения (=10в5/10в7 м-1), и потому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость, тем сильнее поглощение света, то есть Kл сильно зависит от электропроводности. Ta часть излучения, которая не поглощена телом, рассеивается им.
К рассеиваемому излучению относятся, во-первых, всё отражённое (рассеянное) на границе сред при попадании света в вещество, во-вторых, рассеянное внутри оптически неоднородной среды и вышедшее из неё при обратном переходе из второй среды в первую, в-третьих, прошедшее сквозь слой вещества без внутреннего рассеяния.
В оптически неоднородной среде происходит дифракция света. Дифрагируя однократно или на множестве неоднородностей, свет по всем направлениям распределяется довольно равномерно. Такое рассеяние света в объёме среды проявляется при обратном выходе излучения на границе раздела фаз (например, «кусок-воздух»).
Для малых размеров неоднородностей (l