Закон Бугера: рассеяние света в среде

Ярким летним днем небо кажется голубым, а зимой - бледно-голубым. Почему? Все дело в рассеянии света. Узнайте в этой статье, как описывается рассеяние света с помощью закона Бугера и как это применяется на практике.

История открытия закона Бугера

Закон Бугера был открыт французским ученым Пьером Бугером в 1729 году в ходе экспериментов по исследованию восприятия человеком изменений в освещенности. Бугер показал, что минимальное изменение яркости, которое человек может заметить, пропорционально исходной яркости.

Например, если яркость экрана увеличить на 1 кд/м², а затем на 2 кд/м², то второе изменение будет заметнее, чем первое. Но отношение приращения яркости к исходной яркости в обоих случаях одинаково и равно примерно 0,01.

Эксперименты Бугера показали, что это отношение постоянно для очень широкого диапазона яркостей - от сумеречного освещения до яркого солнечного света. Этот результат позже был назван законом Бугера и нашел широкое применение в психофизике и других областях.

Физический смысл закона Бугера

Хотя закон Бугера был установлен из психофизических экспериментов, он нашел применение и для описания физических явлений. В частности, этот закон позволяет количественно описать ослабление параллельного пучка света в поглощающей среде.

I = I₀e^-αx

Здесь I - интенсивность света после прохождения слоя вещества толщиной x, I₀ - начальная интенсивность, α - коэффициент поглощения света данным веществом. Эта формула называется законом Бугера — Ламберта — Бера.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны света и определяет "цвет" вещества. Например, чернила кажутся черными, так как поглощают свет всех видимых длин волн. А окрашенные стекла пропускают только определенные длины волн и поглощают остальные, поэтому и кажутся цветными.

Также важно, что согласно закону Бугера коэффициент поглощения не зависит от интенсивности проходящего света. Это свойство позволяет применять его для объяснения многих оптических явлений в природе.

• голубизна неба из-за рассеяния света в атмосфере
• красный цвет заката благодаря длинноволновому свету
• прозрачность воды и стекла для видимого диапазона длин волн

Однако, закон Бугера перестает работать при очень высоких интенсивностях света, например от лазерного луча. В таких условиях коэффициент поглощения начинает зависеть от интенсивности. Это явление описывается нелинейной оптикой.

Применение закона Бугера

Закон Бугера находит широкое применение благодаря тому, что позволяет количественно описать взаимодействие света с веществом. Особенно актуален вывод закона Бугера — Ламберта — Бера для объяснения селективного поглощения и пропускания света разных длин волн.

Цветные светофильтры

На основе этого принципа работают цветные светофильтры, которые используются в технике и оптике. Они пропускают только определенный диапазон длин волн и задерживают остальные компоненты белого света.

Анализ состава веществ

По спектру поглощения можно определить состав газов, жидкостей и даже твердых веществ. Этот метод называется спектроскопией и широко используется в аналитической химии и физике.

Цвет неба и солнца

Уже упоминалось выше, что с помощью закона Бугера можно объяснить голубой цвет дневного неба (рассеяние коротких длин волн) и красный цвет закатов (ослабление синего и фиолетового света в атмосфере).

Ограничения закона Бугера

При очень высоких интенсивностях света закон Бугера перестает работать. Это связано с тем, что коэффициент поглощения перестает быть постоянным и начинает зависеть от мощности светового потока.

Так, в опытах с мощными лазерами наблюдается явление вынужденного пропускания света, когда интенсивное лазерное излучение как бы "прожигает" дырку и проходит даже через непрозрачную пленку. Это можно объяснить только учетом нелинейных эффектов.

Другие виды рассеяния света

Помимо поглощения, на распространение света в среде влияет также его рассеяние. Это явление тоже описывается с помощью коэффициента, аналогичного коэффициенту поглощения в законе Бугера.