Электромагнитное излучение, к которому относится видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, взаимодействует с твёрдыми телами на уровне атомов, ионов и электронов. Основными механизмами взаимодействия являются поглощение, рассеяние, отражение и пропускание. Эти процессы определяются электронной структурой вещества, кристаллической решёткой, наличием дефектов и структурной анизотропией.
Поглощение света связано с переходами электронов между энергетическими уровнями или зонами проводимости и валентной зоной в кристалле. Для полупроводников и диэлектриков ключевым параметром является ширина запрещённой зоны (Eg). Энергия фотона (h) должна соответствовать или превышать Eg для возбуждения электрона:
[ hE_g]
В металлах поглощение в основном обусловлено переходами свободных электронов в энергетических состояниях Ферми, что приводит к характерной плотности состояний электронов и высокой отражательной способности в видимой области.
Особенности поглощения:
Пропускание света зависит от степени поглощения и рассеяния. Полупрозрачные кристаллы и диэлектрики с большой шириной запрещённой зоны могут быть прозрачными для видимого света. Прозрачность определяется коэффициентом поглощения (()), который зависит от длины волны:
[ I(x) = I_0 e^{-x}]
где (I(x)) — интенсивность на глубине (x), (I_0) — начальная интенсивность.
Отражение света на поверхности твёрдого тела определяется коэффициентом отражения (R), который зависит от показателя преломления (n) и угла падения ():
[ R = | |^2]
где (n_1) и (n_2) — показатели преломления среды и твёрдого тела, (_t) — угол преломления по закону Снеллиуса. Металлы обладают высокой отражательной способностью из-за свободных электронов, которые эффективно взаимодействуют с электромагнитным полем.
Преломление определяется дисперсией показателя преломления (n()), что приводит к разложению света на спектральные составляющие в кристаллах типа призмы.
Рассеяние в твёрдых телах может быть коэрентым и некоэрентым. Коэрентное рассеяние связано с регулярной кристаллической решёткой и проявляется в виде дифракции рентгеновских и оптических волн. Некоэрентное рассеяние возникает на дефектах, границах зерен и флуктуациях плотности, приводя к диффузному рассеянию и снижению прозрачности.
При высоких энергиях фотонов возможны процессы фотоионизации, фотоэлектронного эффекта и возбуждения плазменных колебаний электронного газа в металлах. Эти процессы определяют оптические характеристики твёрдого тела в ультрафиолетовой и рентгеновской областях.
В кристаллах с анизотропной структурой показатели преломления зависят от направления распространения света относительно кристаллографических осей. Это проявляется в двулучепреломлении, когда одно и то же излучение разделяется на два луча с различными скоростями и поляризациями.
Поглощённая световая энергия преобразуется в тепло, что приводит к локальному повышению температуры, изменению структурных и электронных свойств, расширению кристаллической решётки и изменению коэффициента преломления. В интенсивных лазерных потоках возможны нестационарные процессы термоупругой деформации и фазовых переходов.
Понимание взаимодействия света с твёрдыми телами лежит в основе оптических приборов, фотоники, лазерных технологий, полупроводниковой электроники и разработки материалов с заданными прозрачностью, отражательной способностью и спектральной селективностью. Оптические свойства напрямую связаны с структурой материала, химическим составом и наличием дефектов, что позволяет создавать материалы с точечно настроенными характеристиками.