Поглощение и отражение света твёрдыми телами определяется их электронной структурой и упорядоченностью атомов в кристаллической решётке. При взаимодействии с электромагнитным излучением происходит переход электронов между энергетическими уровнями: валентной и проводящей зонами в случае полупроводников и диэлектриков, либо внутри валентной зоны для металлов с высокой плотностью состояний.
Энергетическая зависимость поглощения характеризуется спектральной функцией α(ν), где ν — частота излучения. Пиковые значения α(ν) соответствуют резонансным переходам, а ширина пика связана с фононной дисперсией и дефектами решётки. В металлах поглощение в видимой области связано с плазмонными резонансами свободных электронов, а в инфракрасной — с колебательными переходами и фононами.
Коэффициент отражения R(ν) определяется соотношением между амплитудами падающей и отражённой волн. Для твёрдых тел с гомогенной структурой он вычисляется через комплексный показатель преломления ( = n + ik ), где n — действительная часть, определяющая фазовую скорость, а k — мнимая, связанная с поглощением.
Формула Френеля для нормального падения:
[ R = | |^2]
позволяет определить отражение с учётом как поглощения, так и изменения фазового сдвига. В спектроскопии твёрдого тела анализ отражения даёт информацию о полосах запрещённых состояний, концентрации носителей заряда и степени кристаллографического порядка.
Дефекты решётки, включения и границы кристаллитов сильно влияют на коэффициенты поглощения и отражения. Точки дефектов создают локализованные состояния в запрещённой зоне, что проявляется в поглощении низкоэнергетического излучения. Поверхностная шероховатость и оксидные слои изменяют отражательные свойства, вызывая диффузное отражение, которое может достигать десятков процентов для полированных и матовых поверхностей соответственно.
Температурное воздействие изменяет решётку через тепловое расширение и усиление фононных колебаний, что ведёт к расширению полос поглощения и изменению интенсивности отражения. В инфракрасной области наблюдаются сильные температурные смещения резонансных пиков, что позволяет использовать спектроскопию поглощения для контроля температуры и фазового состояния материала.
Спектральная зависимость отражения для металлов определяется плазменной частотой, выше которой металл становится прозрачным, а для полупроводников и диэлектриков — энергетическим промежутком между валентной и проводящей зоной. Поглощение и отражение тесно взаимосвязаны через соотношение Кирхгофа, связывающее спектры излучения и поглощения в термодинамическом равновесии:
[ () = ; R() + () + T() = 1]
где T(ν) — пропускание. Для непрозрачных металлов (T ), и коэффициент отражения близок к единице в видимой области.
Анизотропные кристаллы демонстрируют различие в поглощении и отражении для разных поляризаций падающего света. Это связано с направленной симметрией решётки, которая задаёт различные дипольные переходы вдоль кристаллографических осей. В результате появляются линейно и кругово поляризованные спектральные особенности, важные для оптических устройств, лазеров и фотонных кристаллов.
Для рентгеновского и гамма-излучения поглощение определяется не электронной структурой валентной зоны, а внутренними оболочками атомов. Эффекты фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и образования пар приводят к высокой поглощательной способности плотных твёрдых тел. Коэффициент отражения в этом диапазоне невелик, кроме специальных многослойных зеркал и кристаллических монохроматоров, использующих дифракцию Брэгга.
Контроль поглощения и отражения твёрдых тел лежит в основе создания антибликовых покрытий, зеркал, спектральных фильтров и солнечных элементов. Оптимизация материалов с учётом спектральной селективности позволяет повысить эффективность фотоэлектрических и оптоэлектронных устройств. Анализ отражательных и поглощательных свойств служит диагностическим инструментом в материаловедении, нанотехнологиях и оптической спектроскопии.