Оптична товщина — добуток об'ємного коефіцієнта послаблення світла середовищем на геометричну довжину шляху променя світла в середовищі. Характеризує послаблення світла в середовищі через його поглинання та розсіювання.

У фізиці оптична товщина або оптична глибина — натуральний логарифм відношення падаючої до пропущеної через матеріал променистої потужності. Що більша оптична глибина, то менше променистої потужності проходить через матеріал. Спектральна оптична товщина або спектральна оптична глибина — натуральний логарифм відношення падаючої до пропущеної через матеріал спектральної променистої потужності. Оптична товщина є безрозмірнісною, і, зокрема, не є довжиною, хоча це монотонно зростаюча функція довжини оптичного шляху та наближається до нуля, з наближенням до нуля довжини шляху. Не рекомендовано для оптичної глибини використовувати термін «оптична густина».

У хімії замість оптичної глибини використовують тісно пов'язану величину, яку називають «» або «декадне поглинання» — десятковий логарифм відношення потужності падаючого випромінювання до потужності, що проходить через матеріал. Воно дорівнює оптичній глибині, поділеній на .

Математичні визначення

Оптична товщина Оптична товщина матеріалу, що позначається , визначається за формулою: де

 — потік випромінювання, що падає на речовину;  — потік випромінювання, що пройшов через речовину;  — коефіцієнт пропускання речовини.

Поглинання пов'язане з оптичною товщиною так:

Спектральна оптична товщина Спектральна оптична товщина за частотою (позначена ) або за довжиною хвилі () речовини визначається за формулою: де

 — спектральний потік випромінювання за частотою, що пропускається цим матеріалом;  — спектральний потік випромінювання за частотою, що падає на матеріал;  — спектральний коефіцієнт пропускання за частотою матеріалу;  — спектральний потік випромінювання за довжиною хвилі, що пропускається цим матеріалом;  — спектральний потік випромінювання за довжиною хвилі, що падає на матеріал; спектральний коефіцієнт пропускання за довжиною хвилі матеріалу.

Спектральне поглинання пов'язане зі спектральною оптичною товщиною формулою: де

 — спектральне поглинання за частотою;  — спектральне поглинання за довжиною хвилі.

Зв'язок із ослабленням

Ослаблення Оптична товщина є мірою ослаблення пропущеної променевої потужності в матеріалі. Ослаблення може бути спричинене поглинанням, а також відбиттям, розсіюванням та іншими фізичними процесами. Оптична товщина матеріалу приблизно дорівнює його ослабленню (атенюації), коли і поглинання значно менше за 1, і емісія цього матеріалу (не плутати з енергетичною світністю чи емісійною здатністю) значно менша за оптичну товщину: де

 — потужність випромінювання, що пропускається матеріалом;  — потужність випромінювання, що послаблюється матеріалом;  — потужність випромінювання, що сприймається матеріалом;  — потужність випромінювання, випромінювана матеріалом;  — коефіцієнт пропускання світла матеріалу;  — коефіцієнт ослаблення матеріалу;  — це емісія матеріалу,

і згідно із законом Бера — Ламберта, отже:

Коефіцієнт ослаблення Оптична товщина матеріалу також пов'язана з його формулою: де

 — товщина матеріалу, через який проходить світло;  — коефіцієнт ослаблення або коефіцієнт неперівського ослаблення матеріалу в точці ,

а якщо однаковий уздовж шляху, то ослаблення називають лінійним, і співвідношення набуває вигляду:

Іноді співвідношення задають за допомогою ефективного перерізу затухання матеріалу, тобто його коефіцієнта ослаблення, поділеного на концентрацію частинок: де

 — ефективний переріз ослаблення матеріалу;  — концентрація частинок матеріалу в точці ,

і якщо не зміннюється вздовж шляху, тобто , співвідношення стає таким:

Застосування

Атомна фізика В атомній фізиці спектральну оптичну товщину хмари атомів можна розрахувати з квантово-механічних властивостей атомів. Вона визначається як де

 — перехідний дипольний момент;  — кількість атомів;  — частота променя;  — швидкість світла;  — зведена стала Планка;  — діелектрична проникність вакууму ;  — поперечний переріз променя;  — природна ширина лінії переходу.

Науки про атмосферу У оптичну глибину атмосфери часто визначають як відстань по вертикалі від поверхні Землі до космічного простору; в інших випадках оптичний шлях пролягає від висоти, на якій перебуває спостерігач, до космічного простору. Оптична глибина для похилого шляху дорівнює , де τ''' оптична глибина для вертикальної траєкторії, m називається , а для плоскопаралельної атмосфери визначається як , де θ'' — зенітний кут, що відповідає заданому шляху. Отже, Оптичну глибину атмосфери можна розділити на кілька складових, пов'язаних із розсіюванням Релея, аерозолями та поглинанням у газі. Оптичну глибину атмосфери можна виміряти за допомогою .

Оптична глибина залежно від висоти в атмосфері визначається за формулою звідки випливає, що загальна оптична глибина атмосфери дорівнює

В обох рівняннях:

 — коефіцієнт поглинання,  — коефіцієнт змішування,  — густина повітря на рівні моря,  — зведена висота атмосфери,  — згадана висота.

Оптична глибина плоскопаралельного шару хмар визначається за формулою де:

 — ефективність згасання,  — ,  — геометрична товщина,  — концентрація крапель,  — густина рідкої води.

Отже, за фіксованої глибини та загального шляху рідкої води, .

Астрономія В астрономії фотосфера зорі визначається як поверхня, оптична глибина якої становить 2/3. Це означає, що кожен випромінений фотосферою фотон, перш ніж досягне спостерігача, зазнає в середньому менше одного розсіювання. За температури на оптичній глибині 2/3 енергія, яку випромінює зоря (початковий висновок зроблено для Сонця), відповідає спостережуваній загальній випромінюваній енергії.

Зверніть увагу, що оптична товщина середовища різна для різних кольорів (довжин хвиль) світла.

Для оптична глибина — це (від'ємний логарифм) частки світла, блокованого кільцем, коли воно розташоване між джерелом і спостерігачем. Зазвичай її визначають через спостереження за покриттями зір.

Див. також

Абсорбтанс Актинометр Аерозолі Закон Бугера — Ламберта — Бера Піранометр Променистий перенос енергії Прозорість середовища

Примітки

Література