布给-朗伯定律
1729年P.布给从实验中得出吸收定律,1760年J.H.朗伯用一个简单的假设推出相同的结果。假设频率为v,光强为I的单色准直光束在物质中垂直经过厚度为dl的薄层时,光强的减弱dI正比于I与dl的乘积,
则积分可得
Io表示光束刚进入物质中时的光强,l表示光束垂直通过的物质层的厚度,c称为物质对该频率光的线性吸收系数,其值可由实验测定。式(1)称为布给-朗伯定律。
比尔定律
布给从实验观察中曾指出,对于光的吸收,重要的`不是物质层的厚度而是光通过的物质层中包含的吸收物质的质量,1852年A.比尔用实验证明,对于气体或溶解于不吸收的溶剂中的物质,线性吸收系数c正比于单位体积中的吸收分子数,也就是正比于吸收物质的浓度с,
因而吸收定律可以写作如下形式(比尔定律)
式中x与浓度无关的比例常数。
在经典理论中,把分子、原子看作振子,其中的电子在束缚力作用下振动。分子或原子的结构决定电子振动的固有频率。当光在媒质中通过时,分子中的电子在光波电场的驱动下作受迫振动,同时也由于辐射以及由于分子间的交互作用而受到一个正比于运动速度的阻力,这种受迫振动,特别是在接近共振时,从光波中强烈地吸收能量。设气体分子只有一个共振频率ωo,则圆频率为ω的入射光通过气体的线性吸收系数为
(3)
式中乘积Nfo表示气体单位体积中固有频率为ωo的振子数;e和m分别为电子的电荷和质量;ε$o为真空中的介电常数;с为真空中光速;γ为反映阻力作用的衰减系数。对于弱吸收与窄的吸收线,上式还可近似写成 (4)
图4中画出按式(4)得出的典型的吸收线,其半峰值宽度等于γ。γ 越小,吸收线越窄。 在量子理论中,分子或原子在光波辐射场的作用下,从低能态跃迁到高能态时吸收一个光子hv(见光的量子理论),这种跃迁也等效于一个具有一定固有频率的振子。
考虑到分子或原子处于一定能态时的寿命(相当于振子作自由振动时的衰减),也可以得到线性吸收系数和频率的关系,结果与经典理论一致。
在考虑金属的吸收时要同时考虑束缚电子与自由电子的作用。对于红外线或更低频率的辐射,自由电子起主要作用,而对于紫外线及更高频率的辐射,则束缚电子的作用比较显著,这时金属实际上表现出与电介质相似的光学性质。 电磁理论证明,当物体对某种频率光的吸收系数很大时,它对该频率光的反射率也大。若干电介质具有很强的吸收带,故它们对于吸收带附近频率的光也有很强的反射,这称为选择反射。选择反射现象可用于确定远红外吸收带的位置以及取得(隔离出)某种确定频率的红外线束(剩余射线)。
例如干透的染料品红在可见光区有强的吸收带,在反射白光时它具有金属的光泽,呈现黄绿色,这种颜色称为表面色。
又如石英对于8.5μm的红外线有强的选择反射;萤石、氯化钠、氯化钾等晶体在22.9~63μm的红外波段内有强的吸收峰,因而也具有选择反射性质。