Закон Ламберта—Буге. Характеристики ослабления и излучения радиации

Прежде всего, всякая радиация возникает именно вследствие ее излучения веществом. Кроме того, (при распространении ра­диации в среде частицы вещества под влиянием падающего из­лучения приходят в возбужденное состояние, при этом они по­глощают падающую радиацию и сами становятся излучателями электромагнитных волн, В результате единичного акта излуче­ния возбужденной молекулой или атомом испускается фотон, или квант, излучения, энергия которого пропорциональна частоте излучения. Аналогичным образом поглощение фотонов также имеет дискретный характер. При наличии большого числа излу­чающих молекул или атомов поглощается и испускается множе­ство фотонов и падающее излучение заметно трансформируется. Можно сформулировать ряд макроскопических закономерно­стей, описывающих излучение и поглощение радиации, не вда­ваясь в детали процессов на молекулярном уровне. (Более под­робно взаимодействие радиации с веществом рассмотрено в конце настоящего параграфа.)

Согласно закону Ламберта—Буге, уменьшение монохромати­ческой интенсивности радиации линейно зависит от самой интен­сивности радиации и от количества ослабляющего вещества dm на пути луча:

dJ_λ = —α_λJ_λdm. (6.1.7)

Коэффициент ослабления α_λ представляет собой относитель­ное уменьшение монохроматической интенсивности падающей радиации в расчете на единичное количество ослабляю­щей субстанции. Иногда удобно рассчитывать коэффициент ос­лабления на единицу массы, иногда — на единицу объема, на одну молекулу или еще какую-либо единицу, характеризующую количество вещества. Точнее говоря, здесь имеется в виду коли­чество вещества в некотором столбе единичного сечения, по­скольку рассматриваемый луч имеет единичное сечение и может взаимодействовать только с веществом, находящимся на его пути.

Таким образом, массовый коэффициент ослабления имеет размерность объемный ; размерность коэффициента, рассчитанного на одну частицу, . Произведение же α_λdm, как видно из формулы (6.1.7), должно быть безразмерной величиной.

В общей формулировке закона Ламберта—Буге (6.1.7) физи­ческий механизм ослабления не конкретизируется. Если речь идет о поглощении радиации (иногда его называют чистым по­глощением), т. е. о переходе электромагнитной энергии в дру­гие виды энергии, то следует употреблять термин «коэффициент поглощения» (α_λ). В случае рассеяния радиации, т. е. в том слу­чае, когда общее количество лучистой энергии не меняется, но интенсивность падающего пучка лучей уменьшается вследствие изменения направления распространения части фотонов, употре­бляется термин «коэффициент рассеяния» (σ_λ).

Аналогичным образом количество излучаемой энергии про­порционально количеству излучающего вещества:

dJ_λ=e_λdm. (6.1.8)

Здесь e_λ— коэффициент излучения. Таким образом, коэффициен­том излучения называетcя интенсивность монохроматической ра­диации, излучаемой единичным количеством вещества (единичной массой, единичным объемом, одной молекулой и т. д.). Часто выражение (6.1.8) записывают в форме, аналогичной закону Ламберта—Буге:

dJ_λ=α_λε_λdm. (6.1.9)

Величина называется функцией источника. Она имеет размерность интенсивности радиации. Для так называемого аб­солютно черного тела, поглощающего всю падающую на него радиацию, α_λ=1 и интенсивность излучаемой радиации как раз и представляет собой функцию источника. Для реальных тел все­гда а< 1 и интенсивность излучаемой радиации меньше, чем Функция источника.

Обычно в атмосфере протекают одновременно все три про­цесса— поглощение, рассеяние и излучение. При этом излучение Солнца, излучение (поглощение) земной поверхности и облаков, а также рассеяние радиации имеют сплошной спектр, тогда как излучение (поглощение) газов сосредоточено в дискретных спек­тральных интервалах (в так называемых линиях и полосах по­глощения).