光的吸收

布給-朗伯定律

1729年P.布給從實驗中得出吸收定律，1760年J.H.朗伯用一個簡單的假設推出相同的結果。假設頻率為v，光強為I 的單色準直光束在物質中垂直經過厚度為dl的薄層時，光強的減弱dI正比於I與dl的乘積，

則積分可得

Io表示光束剛進入物質中時的光強,l表示光束垂直通過的物質層的厚度，c 稱為物質對該頻率光的線性吸收係數，其值可由實驗測定。式(1)稱為布給-朗伯定律。

布給從實驗觀察中曾指出,對於光的吸收，重要的不是物質層的厚度而是光通過的物質層中包含的吸收物質的質量，1852年A.比爾用實驗證明，對於氣體或溶解於不吸收的溶劑中的物質，線性吸收係數c 正比於單位體積中的吸收分子數，也就是正比於吸收物質的濃度с，

因而吸收定律可以寫作如下形式（比爾定律）

式中x與濃度無關的比例常數。

布給-朗伯定律廣泛成立，而比爾定律則在許多情形下不成立。實際上c正比於濃度с的關係只是在分子的吸收與分子間的相互作用無關時才成立，但在許多情形分子的吸收性能是與濃度有關的。對於實際氣體以及許多溶液，例如弱電解質溶液、染料的水溶液等，都存在偏離比爾定律的情況。

也有一些物質，當其中傳播的光束非常強時，吸收係數c變成與光強I有關,這時吸收成為非線性的（I與Io間關係是非線性的）。這種情況有時是由於很大一部分吸收物質的粒子轉變為激發態，並停留較長的時間,從而改變了物質的吸收性能。此外，當物質處於粒子數反轉狀態，對於某些頻率的光而言，受激輻射大於吸收時，光束在傳播中會增強。這種現象也稱為負吸收(見激光)。

線性吸收係數c 與光的頻率的關係決定物質的吸收光譜。對於稀薄的原子氣體，這個關係表現為吸收線光譜，即只在某些頻率附近有強烈的吸收。吸收線寬度約為十分之幾或百分之幾埃。而對於其他頻率的光則不吸收，如圖1。

吸收線的頻率對應於原子內電子的共振頻率。對於稀薄分子氣體c與ω的關係複雜些，表現為吸收帶光譜，由一些在不同頻率區域的許多組密集的吸收線構成，這些密集的線對應着分子中原子間的振動躍遷以及分子的轉動躍遷。每一組這樣的線稱為一個吸收帶，如圖2。 當氣體的壓強（密度）增大時，吸收線的寬度也隨之增大。這表明：隨着原子、分子間的相互作用（如碰撞、相互的場的影響等等）加強，物質吸收光的頻率範圍增大。

在液體與固體情形，分子間的相互作用很強，c與ω的關係更加複雜。一般地説，在某些較大的頻率(波長)範圍內，c作連續的變化。這時可説物質有較寬的吸收帶(波長寬度可達幾百、幾千，甚至幾萬埃)，如圖3。

一般金屬在可見光波段與紅外波段有極強的吸收性質，吸收帶很寬。光波透入金屬的厚度達到真空中波長的量級時就已完全被吸收了。

在經典理論中，把分子、原子看作振子，其中的電子在束縛力作用下振動。分子或原子的結構決定電子振動的固有頻率。當光在媒質中通過時，分子中的電子在光波電場的驅動下作受迫振動，同時也由於輻射以及由於分子間的交互作用而受到一個正比於運動速度的阻力，這種受迫振動，特別是在接近共振時，從光波中強烈地吸收能量。設氣體分子只有一個共振頻率ωo,則圓頻率為ω的入射光通過氣體的線性吸收係數為

(3)

式中乘積Nfo表示氣體單位體積中固有頻率為ωo的振子數；e和m分別為電子的電荷和質量；εo為真空中的介電常數；с為真空中光速；γ為反映阻力作用的衰減係數。對於弱吸收與窄的吸收線，上式還可近似寫成 (4)

圖4中畫出按式(4)得出的典型的吸收線，其半峯值寬度等於γ。γ 越小，吸收線越窄。

在量子理論中，分子或原子在光波輻射場的作用下，從低能態躍遷到高能態時吸收一個光子hv（見光的量子理論），這種躍遷也等效於一個具有一定固有頻率的振子。

考慮到分子或原子處於一定能態時的壽命（相當於振子作自由振動時的衰減），也可以得到線性吸收係數和頻率的關係，結果與經典理論一致。

在考慮金屬的吸收時要同時考慮束縛電子與自由電子的作用。對於紅外線或更低頻率的輻射，自由電子起主要作用，而對於紫外線及更高頻率的輻射，則束縛電子的作用比較顯著，這時金屬實際上表現出與電介質相似的光學性質。

電磁理論證明，當物體對某種頻率光的吸收係數很大時，它對該頻率光的反射率也大。若干電介質具有很強的吸收帶，故它們對於吸收帶附近頻率的光也有很強的反射，這稱為選擇反射。選擇反射現象可用於確定遠紅外吸收帶的位置以及取得（隔離出）某種確定頻率的紅外線束（剩餘射線）。

例如干透的染料品紅在可見光區有強的吸收帶，在反射白光時它具有金屬的光澤，呈現黃綠色，這種顏色稱為表面色。

又如石英對於8.5μm的紅外線有強的選擇反射；螢石、氯化鈉、氯化鉀等晶體在22.9～63μm的紅外波段內有強的吸收峯，因而也具有選擇反射性質。

光的吸收在科學技術的許多部門中有廣泛的應用。根據物質的吸收光譜可得到高靈敏度的定性或定量化學分析方法，如吸收光譜分析、分光光度測定、比色法等。吸收光譜的線型也可用於確定物質的化學結構，研究金屬中電子的運動及半導體的能帶結構等等。