§ 120. Поглощение света. О физиологическом действии света

При прохождении света через какую-либо среду всегда имеет место частичное его поглощение, обусловленное превращением электромагнитной энергии в теплоту и другие виды энергии.

Вещества, слабо поглощающие свет, принято называть прозрачными; вещества, обладающие сильным поглощением, — непрозрачными. Однако такое подразделение носит относительный характер, поскольку прозрачность зависит не только от природы вещества, но и от толщины его слоя. В самом деле, например, алюминий принято считать непрозрачным веществом, а воду — прозрачным. Между тем очень тонкий слой алюминия достаточно хорошо пропускает свет, тогда как толстый слой воды практически непрозрачен (набольших глубинах океана царит, как известно, почти полная темнота).

Рис. 308

Для количественной оценки процесса поглощения света введем понятие интенсивности света . В соответствии с определением интенсивности волны, данном в § 32, назовем интенсивностью света (или плотностью потока световой энергии) количество энергии, переносимое светом за 1 с через площадь в перпендикулярную световому лучу.

Пусть параллельный пучок монохроматических лучей падает на пластину поглощающего вещества перпендикулярно поверхности пластины (рис. 308). Мысленно выделим внутри пластины бесконечно тонкий слой находящийся на расстоянии от ее поверхности. Изменение интенсивности света происходящее в этом слое в связи с поглощением, будет пропорционально толщине слоя и интенсивности падающего на слой света

где коэффициент поглощения, характеризующий поглощательную способность данного вещества и не зависящий от толщины слоя.

Знак минус указывает на ослабление света в слое

Перенесем в левую часть равенства (24) и проинтегрируем полученное выражение по всей толщине а пластины (от до и от до

Тогда получим, что

или

где интенсивность света, падающего на пластину, интенсивность света, прошедшего через пластину. Это соотношение называется законом Бугера.

Из формулы (25) следует, что при

Таким образом, коэффициент поглощения вещества есть величина, обратная толщине такого слоя данного вещества, при прохождении которого интенсивность света ослабляется в раз (приблизительно в три раза).

Для различных веществ значения коэффициента поглощения весьма различны. Например, для воздуха (при нормальном давлении) имеет порядок для стекла — для металлов — Это означает, что для трехкратного ослабления интенсивности света достаточен слой металла толщиной

или слой стекла толщиной

или слой воздуха толщиной

Вообще говоря, всякое вещество обладает в большей или меньшей мере селективным (избирательным) поглощением, т. е. значение

коэффициента поглощения зависит от длины волны света. Так, например, вода и водяной пар сильно поглощают инфракрасное излучение. Обыкновенное стекло хорошо пропускает видимый свет, но значительно ослабляет инфракрасное излучение (с длиной волны и почти полностью поглощает ультрафиолетовое излучение Листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме зеленой и темно-красной его части; это поглощение вызвано пигментом—хлорофиллом, содержащимся в листьях.

На избирательном поглощении основано действие светофильтров — стеклянных пластин и желатиновых пленок с примесью определенного красящего вещества. Светофильтр пропускает свет только в какой-либо определенной части спектра (соответствующей цвету светофильтра), поглощая все остальное излучение.

Избирательное поглощение лежит в основе так называемого парникового эффекта. Грунт парника нагревается обычно тремя источниками тепла: во-первых, видимым светом, свободно проходящим через стекло парниковых рам, во-вторых, биотопливом и, в-третьих, специальными обогревательными системами (водяными или электрическими). Собственное излучение нагретого грунта как тела, обладающего невысокой температурой, является инфракрасным (см, § 131). Но, как уже отмечалось, стекло поглощает инфракрасное излучение. Благодаря этому значительная часть энергии излучения грунта вновь превращается в теплоту и используется для обогрева парника. Таким образом, стекло защищает парник от потери теплоты путем длинноволнового излучения.

В последние годы в парниковых рамах вместо стекла начинают с успехом применять прозрачный полимер — полиамидную пленку. В отличие от стекла пленка обладает высокой прозрачностью не только для видимого, но и для ультрафиолетового излучения и очень сильно (примерно на 90%) поглощает инфракрасное излучение. Вместе с тем полиамидная пленка весьма эластична, легка, достаточно прочна и долговечна. Эти качества позволяют сооружать легкие временные конструкции для защиты отдельных ценных растений, целых гряд и даже участков полей.

Парниковый эффект под полиамидным укрытием выражен более резко, чем под стеклянным. Применение полиамидной пленки и некоторых других прозрачных полимеров) ведет к заметному повышению урожайности сельскохозяйственных культур и улучшению качества урожая.

Поглощением света обусловлены в конечном счете все виды воздействия света на вещество, в том числе и физиологические его воздействия.

Самым важным из процессов, протекающих на Земле под действием света, безусловно, является фотосинтез.

Фотосинтез заключается в превращении неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические (углеводы)] он осуществляется под влиянием солнечного светау поглощаемого хлорофиллом, и сопровождается выделением газообразного кислорода.

Фотосинтез является сложной окислительно-восстановительной реакцией, которую можно записать (без промежуточных ее звеньев) в виде следующего условного уравнения:

По приближенным подсчетам, наземные и водные растения земного шара ежегодно производят посредством фотосинтеза около 450 млрд. тонн органических веществ.

Непрерывно создавая органические вещества, освобождая атмосферу от углекислого газа и пополняя ее кислородом, фотосинтез обеспечивает условия, необходимые для существования жизни на нашей планете.

Несмотря на грандиозные размеры общей (на всем земном шаре) фотосинтетической деятельности зеленых растений, лишь небольшая доля энергии солнечного света, поглощаемая растением, используется непосредственно для фотосинтеза. Эта доля обычно не превышает 5% (для яровой пшеницы —3,26%, для картофеля —3,02%, для кукурузы —2,30% и т. п.).

Так как органическая масса растения создается в процессе фотосинтеза то одним из эффективных путей повышения урожайности сельскохозяйственных культур является увеличение интенсивности фотосинтеза (увеличение коэффициента использования световой энергии для фотосинтеза). По этому пути идет новая отрасль сельскохозяйственного производства, получившая название светокультуры (искусственное досвечивание растений при усиленной подкормке углекислотой и проточном методе корневого питания).

Весьма существенное влияние свет оказывает и на животные организмы. С одним из видов такого влияния мы уже ознакомились в § 118 — это действие света на орган зрения. Кроме того, свет действует на кожный покров. Видимое и инфракрасное излучения вызывают главным образом поверхностное нагревание кожи. Ультрафиолетовое излучение вызывает фотохимическую реакцию в наружном слое кожи, ведущую к образованию коричневого пигмента («загар»). Этот пигмент, называемый меланином, сильно поглощает ультрафиолетовые лучи, предохраняя тем самым организм от их чрезмерного воздействия. Умеренные дозы ультрафиолетового излучения благотворно влияют на организм: усиливают его сопротивляемость инфекционным заболеваниям и улучшают обмен веществ.

Для человека, животных и растений свег является совершенно необходимым жизненным фактором, поскольку, как показывает опыт, его отсутствие или недостаток нарушает нормальную деятельность организма; недостаток света не может быть компенсирован никакими другими воздействиями (обогреванием, питанием и т. д.).

Ультрафиолетовое излучение длиной волны меньше обладает сильным бактерицидным действием — убивает бактерий; используется для обеззараживания воздуха в помещениях, для стерилизации молока и т. п. Это излучение можно создать, например, посредством кварцевой лампы (см. § 93). В солнечном свете, достигающем земной поверхности, излучение с длиной волны, меньшей отсутствует, так как оно полностью поглощается озоном находящимся в высоких слоях атмосферы (на высотах от 12 до 50 км).

Инфракрасные лучи играют важную роль в жизни змей. Сравнительно слабо развитые зрение, слух и обоняние компенсируются у змеи острой

восприимчивостью к инфракрасному излучению. На голове змеи между глазами и ноздрями расположены два углубления, в которых находятся своеобразные «термолокаторы» — органы, чувствительные к инфракрасным лучам. С помощью этих термолокатеров змея улавливает даже слабое тепловое излучение, исходящее от мелких птиц и животных, и определяет их местоположение. Поэтому даже в совершенной темноте змея точно бросается на свою добычу.

Задача 61. Луч света падает под углом на плоскопараллельную стеклянную пластинку и выходит из нее параллельно первоначальному направлению (рис. 309). Показатель преломления стекла Какова толщина пластинки, если расстояние между лучами см?

Рис. 309

Решение. Полагаем, что окружающей пластинку средой является воздух, показатель преломления которого близок к единице. Тогда, по закону преломления света (3), найдем угол преломления луча в пластинке:

Из прямоугольных треугольников и следует, что

Деля первое равенство на второе, найдем

Задача 62. Показатель преломления стекла для крайних красных лучей спектра равен а для крайних фиолетовых Определить расстояние между фокусами для красных и фиолетовых лучей двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны см.

Решение. Эта задача о хроматической аберрации линзы (см. рис. 299, § 117).

Согласно формуле (9), фокусное расстояние линзы равно

Обозначим фокусные расстояния линзы для красных и для фиолетовых лучей соответственно через тогда можем написать

Задача 63. Фокусное расстояние объектива биологического микроскопа фокусное расстояние окуляра , оптическая длина тубуса микроскопа . Определить увеличение микроскопа и расстояние от объектива до изображения предмета.

Решение. Воспользуемся оптической схемой микроскопа, представленной на рис. 301 (см. § 117).

Согласно формуле (15), увеличение микроскопа равно

где см расстояние ясного зрения.

Из рис. 301 следует, что см, (Знак минус указывает на то, что изображение расположено по одну сторону с предметом от объектива.)

Задача 64. В эксперименте по светокультуре (см. § 120) проводится досвечивание огурцов, растущих на площадке квадратной формы со стороной см (рис. 310).

Рис. 310.

Источником света служит лампа накаливания силой света подвешенная на высоте над центром площадки. Какова максимальная и минимальная освещенности посадки?

Решение. Согласно формуле (22), освещенность равна

где а — угол падения лучей, расстояние от источника света до освещаемого места. Максимальная освещенность будет, очевидно, в центре посадки; для этого места и потому

Минимальная освещенность будет в угловой части посадки на расстоянии