5.2. Abszorpció és fényszóródás

a) Az abszorpció

Azt a jelenséget, amikor valamely sugárzás más spektrális eloszlású sugárzássá vagy más energiaformává alakul át, abszorpciónak (elnyelés) nevezzük. Az atom vagy molekula a beérkező fotont elnyeli, s hatására magasabb energiájú állapotba kerül. Ez lehet egy elektron energiaszint átmenete, vagy egy atom vagy atomcsoport kezd intenzívebb rezgő mozgást végezni. A fotonnak az így átadott energiája a szomszédos atomokkal való ütközések során fokozatosan szétterjed az egész anyagban, vagyis hővé alakul. A foton elnyelése mindkét esetben rezonanciaszerű. A különböző anyagok különböző mértékben nyelik el a fényt. Emellett ugyanazon anyag fényelnyelése a különböző hullámhosszakon más és más, azaz hullámhosszfüggő. Ha egy anyagra azt mondjuk, hogy átlátszó, valójában azt értjük alatta, hogy a látható tartományban az abszorpciója alacsony. Ha fény halad át fényelnyelő anyagon, akkor az anyag egy adott vastagságában a fénynek állandó hányada nyelődik el vagy halad át. Ez a következő abszorpciós egyenlettel (Lambert-Beer törvény) írható le:   ahol I₀ a bejövő intenzitás, x az anyag vastagsága, α az ún. abszorpciós együttható. Az α abszorpciós tényező értéke anyagtól függően több nagyságrendet változhat. Értéke az adott közeg törésmutatójának komplex részétől függ az adott hullámhosszra nézve.

A közegben elnyelődött fényenergia a közeg anyagában változásokat indukál. Az ezeket okozó hatások két főbb csoportba sorolhatók: fotokémiai és termális hatások, melyekkel részletesebben a következő fejezetben foglalkozunk.

b) A szóródás

Szóródásnak nevezzük valamely közegben a sugár eltérítését/eltérülését az eredeti sugárzási iránytól. A szóródás miatt az előrehaladó nyaláb intenzitása fokozatosan, az abszorpcióhoz hasonlóan exponenciális függvény szerint csökken.

Két fő típusát különböztetjük meg, a koherens és az inkoherens szóródást.

Koherens szóródás: valamely közegtől eltérő törésmutatójú, gyengén elnyelő részecskén következik be akkor, amikor a részecske a beeső (primer) fény hatására maga is (szekunder) fényforrássá válik, és így szekunder fényt sugároz a primer fényétől eltérő irányokba is. A szórás tehát alapjában véve megváltoztatja az előremenő sugárteljesítményt,  mely az abszorpcióhoz hasonlóan exponenciális függvény szerint csökken.

A szórás természete függ a beeső sugárzás hullámhosszának és a részecske a méretének az arányától.

Ha a szóró részecskék lényegesen kisebbek a szóródó sugárzás hullámhosszánál, akkor Rayleigh-féle szórásról beszélünk. A szórt fény intenzitásának szögeloszlását a következő összefüggés írja le:  

,

	5.2. ábra   A lenyugvó nap vöröses fénye a kék fénysugarak kiszóródásának az eredménye. fotó: alldigitaldreamer.com

amely megadja egy n törésmutatójú, V térfogatú részecskén szóródott fény intenzitását a λ hullámhosszúságú, Io intenzitású beeső fénnyel Θ szöget bezáró r távolságban. A Rayleigh-szórás látványos példája az élettelen természetben az ég kék, valamint a felkelő és lemenő Nap piros színe. A napsugárzás kölcsönhatásba lép az atmoszférával, a rövidebb (kék, ibolya) hullámhosszak erőteljesebben szóródnak, mint más látható hullámhosszak. A légkörben levő vízgőz abszorpciója miatt végül is a Föld felszínére érkező fényben a kék szín dominál. Napkeltekor és napnyugtakor, a napsugarak sokkal hosszabb utat tesznek meg, mint napközben. A hosszabb út miatt, a rövidebb hullámhosszak szóródása és elnyelése szinte teljes, emiatt a nagyobb hullámhosszúságú sáv intenzitása relatíve megnő, ezért csak a kevésbé szóródó, hosszabb hullámokat (narancs és vörös) látjuk. Szemünk a Napot ilyenkor pirosas színűnek érzékeli: A fényszóródás erősödik, ha nagy mennyiségű finom részecske kerül a felső légrétegekbe.

	5.3. ábra   A Rayleigh és Mie szórás eredménye: kék égbolt és fehér felhők. fotó: alldigitaldreamer.com

Ha a szóró részecskék mérete eléri vagy felülmúlja a hullámhossz nagyságát, a Rayleigh-közelítés már nem alkalmazható. A nagyobb, göbszerű részecskéken bekövetkező szórást Mie-szórásnak nevezzük. H a méretük λ és 2λ, közé esik (pl. vízgőz és a por) a szórás a beeső sugárzás haladásának irányában egyre intenzívebbé válik, a szóródás itt már sokkal kevésbé hullámhosszfüggő. A részecskeméret további növekedésekor már csak fehér szórás figyelhető meg, az intenzitás nem függ többé a hullámhossztól. A kék, a zöld és a vörös fényt teljesen egyenlő mértékben szórják a vízcseppek, ezért fehér színű a felhő és a köd.

Ugyancsak a hullámhossznál nagyobb méretű, de szabálytalan alakú részecskéken (pl. kolloidrészecskék) való szóródást  Tyndall-effektusnak nevezik.

	5.4. ábra   Az infravörös abszorpció, a Rayleigh és Raman szórás folyamatainak energiaszint diagramjai.

b) Inkoherens szóródás: a beeső fotonok energiájának egy részét a szóró részecskék átveszik, s a maradékot sugározzák ki, vagy éppen ellenkezőleg, a részecskék energiát adnak át a fotonoknak. Emiatt a szórt sugárzásban a beeső fotonokéhoz képest eltolódott energiájú, tehát más hullámhosszú fotonok is észlelhetők. Fény esetén a jelenséget Raman szórásnak nevezik, az energiacsere a fotonok, valamint a molekulák rezgő és forgómozgása között történik. Az ilyen típusú szórás valószínűsége több nagyságrenddel kisebb, mint a Rayleigh szórásé.

Az abszorpció és fényszórás együttes hatása

	5.5. ábra   Az abszorpció és a fényszórás hatása a fény terjedésére valamely közegben.

A fény terjedését gyakran az abszorpció és a fényszóródás együttesen határozzák meg. Minél nagyobb a szóródás, az eredeti terjedési irányhoz képest annál jobban szétterül a fény a közegben, az abszorpciós tényező pedig a fotonok által az elnyelődéig megtett út hosszát adja meg. A fényterjedést a behatolási mélységgel lehet jellemezni, ami azt a mélységet jellemzi, ahol az előremenő fény intenzitása az e-ad részére csökken. Ha nincs szóródás, a behatolási mélységet az 1/α értéke adja meg.