Взаимодействие фотонов электромагнитного излучения с веществом

Фотоны весьма эффективно взаимодействуют с электронами – как свободными, так и входящими в состав атомов и молекул, причем оптические фотоны взаимодействуют исключительно с внешними электронами, которые поэтому называются оптическими электронами: взаимодействуют векторы электрического поля частиц. Существует два основных типа таких взаимодействий: упругие и резонансные.

1. Упругие взаимодействия. Фотоны видимого и ультрафиолетового излучения «залипают» (задерживаются) на внешних электронах атомов и молекул. В результате этого скорость v движения фотонов в конденсированных (плотных) прозрачных средах уменьшается:

v = c/n,

где n – (абсолютный) показатель преломления. Показатель преломления любого газа, в том числе воздуха (n = 1,0003), при обычных условиях много меньше, чем показатели преломления жидкостей (~1,5) или твердых тел (у воды n = 1,333).

При этом изменяются направление движения и поляризация фотонов и длина волны, но энергия (и частота) и спин не изменяются.

С этим типом взаимодействия фотонов и электронов связаны такие явления, как зеркальное отражение и преломление света (рис. 3), диффузное (неупорядоченное, хаотичное) отражение, дифракция (отклонение от прямолинейного направления движения фотонов в неоднородных средах, огибание препятствий) и интерференция (взаимодействие когерентных пучков, приводящее к неравномерному распределению интенсивности излучения в пространстве) и, наконец, дисперсия – расхождение цветных лучей (фотонов с разной энергией) при преломлении и дифракции.

Упругие взаимодействия также являются причиной молекулярного рассеяния света – хаотического изменения направления и поляризации фотонов при взаимодействии с внешними электронами атомов и молекул.

Вероятность и величина этих изменений в прозрачных средах малы, но накапливаются при большом пробеге (сотни км в атмосфере) и становятся заметными, например, синее небо: рассеяние пропорционально ν4 (λ–4), и рассеиваются в основном фотоны синей области спектра. Рассеяние пропорционально n2 (n – показатель преломления), поэтому эффекты рассеяния более выражены в плотных средах, например, вода синеет на глубине (при толщине слоя) несколько метров. Рассеяние ~ пропорционально размеру молекул и/или их агрегатов (надмолекулярных комплексов или молекулярных систем, к которым можно отнести внутриклеточные частицы – митохондрии, хлоропласты etc.)

Рис. 3. Зеркальное отражение и преломление света.

Гетерохромный поток фотонов на границе двух сред разной плотности разделяется на несколько пучков: луч отражения (3) и лучи преломления (2). Если среда, из которой поток исходит (луч 1) – вакуум или газ, а плотная среда прозрачна и однородна, то характер распределения фотонов по пучкам определяется спектральным составом и поляризацией входящего луча и показателем преломления n = c/v плотной среды: sin(a)/sin(b) = n; n синего луча ~ на 2% больше, чем n красного луча, т.е. углы преломления разноцветных лучей незначительно различаются: b2 – b1 = ~1º, но на больших расстояниях расхождение лучей – дисперсия – становится существенным (радуга, например).

Оба выходящих пучка (2 и 3) частично поляризованы, даже если входящий луч (1) не поляризован (т.е. состоит из фотонов с разной произвольной поляризацией): пучок 2 частично поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости отражения, а луч 3 – частично или полностью (tg(a) = n) поляризован в плоскости отражения.

Если плотный объект имеет плоскую параллельную нижнюю грань, как на рисунке, на этой грани произойдет отражение (4) и преломление (5), а отраженный луч в свою очередь отразится (6) и преломится (7) на верхней грани и т.д. Причем лучи 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7 параллельны, а углы отражения лучей 4 равны b1 и b2, соответственно. Если sin(b) > 1/n, наблюдается явление полного внутреннего отражения (преломленные лучи 5 и 7 отсутствуют), – это свойство реализуется в волоконной оптике.

2. Резонансные взаимодействия – поглощение света.

Все атомы и молекулы, наряду с заполненными s, p, d и f орбиталями, имеют большое количество вакантных – не заполненных – орбиталей, как это показано на рис. 4.

Эти орбитали далеко отстоят от уровня энергии ближайших к ним внешних оптических электронов молекулы, и самопроизвольно электроны не могут попасть на эти орбитали. Однако электрон может захватить подходящий фотон и перескочить на одну из вакантных орбиталей.

Этот переход имеет свойства электрического диполя и характеризуется дипольным моментом перехода μ = q∙l (q – заряд электрона, l – длина диполя), который имеет строго определенное направление относительно молекулярных осей. Для захвата фотона, который (захват) называется поглощением света и приводит к возбуждению молекулы, необходимо выполнение следующих условий: