Електромагнітна хвиля - Студопедія

Спектральні та інші оптичні методи аналізу ґрунтуються на використанні різних явищ та ефектів, що виникають при взаємодії речовини та електромагнітного випромінювання. Як було з'ясовано в попередньому розділі, світло має подвійну природу і має як хвильові, так і корпускулярні (дискретні) властивості. Електромагнітна хвиля складається з двох компонентів - електричної (вектор напруженості електричного поля) та магнітної (вектор магнітної індукції), спрямованих перпендикулярно один одному і до напрямку руху хвилі. На відміну від інших хвильових процесів, наприклад, звукових хвиль, для поширення електромагнітного випромінювання не потрібне середовище, що проводить. Враховуючи корпускулярно-хвильову природу електромагнітного випромінювання, для його опису можна використовувати відповідно два види характеристик - квантові та хвильові. До хвильових характеристик відносяться частота коливань, довжина хвилі та хвильове число, до квантових – енергія квантів.

Довжина хвилі,λ являє собою ту відстань, яку проходить хвиля за один період її коливань (відстань між двома послідовними максимумами). Довжина хвилі вимірюється в метрах (м), однак у ряді випадків на практиці краще використовувати кратні одиниці виміру - нанометри (нм) або мікрометри (мкм), а також позасистемні одиниці, наприклад, ангстреми (Å).

Частота,ν - це число коливань за 1 секунду і вимірюється в герцях (1 Гц = 1 с -1) або в кратних одиницях, наприклад, 1 МГц = 10 6 Гц. Довжина хвилі та частота коливань пов'язані між собою рівнянням виду:

де з - швидкість поширення хвилі у цьому середовищі. Для електромагнітної хвилі справедливе співвідношення виду:

де с0 - швидкість поширення світла ввакуумі (2,99792 . 10 8 м/c), n - показник заломлення середовища. Частота коливань, у випадку, є фундаментальнішою характеристикою, ніж довжина хвилі, оскільки залежить від властивостей джерела випромінювання і залежить від властивостей середовища. Довжина хвилі залежить від природи середовища, температури та тиску.

Хвильове число, є число хвиль, що припадають на 1 см у вакуумі і має розмірність (см -1 ), визначається виразом виду:

Електромагнітне випромінювання можна розглядати як потік частинок - фотонів. Зв'язок між хвильовою та корпускулярною природою електромагнітного випромінювання встановлюється на підставі рівняння Планка:

що анітрохи не суперечить добре відомій формулі:

якщо врахувати, що:

Щоб отримати енергію, що припадає на 1 моль речовини, необхідно це значення помножити на Авогадро, тобто. маємо відповідно:

одиницею виміру енергії є джоуль (Дж). У спектроскопії також часто використовують позасистемну одиницю виміру – електрон-вольт (еВ):

із формули Планка:

або еквівалентної їй форми:

а також співвідношень виду:

або за умови, що спостерігається квантові переходи з нижчого енергетичного рівня на вищий, або навпаки - квантові переходи з вищого енергетичного рівня на нижчий за енергетичний рівень, матимемо відповідно:

при цьому якщо, то має місце поглинання енергії та перехід електрона з нижчого енергетичного рівня на вищий енергетичний рівень. Якщо ж, має місце зворотний процес - перехід електрона з вищого енергетичного рівня на нижчий в енергетичному відношенні рівень і як наслідок - випромінювання надлишкової кількості енергії у вигляді квантів енергії. З отриманихвище співвідношень слід, що більше буде довжина хвилі електромагнітного випромінювання (менше частота коливань), тим менше буде його енергія і навпаки - що менше буде довжина хвилі електромагнітного випромінювання (більше частота коливань), тим більше його енергія. Сукупність усіх енергій (довжин хвиль, частот) електромагнітного випромінювання називається його електромагнітним спектром. У спектроскопічних методах аналізу спектром (спектром поглинання, спектром випромінювання) називається залежність між енергією кванта і числом квантів, що мають цю енергію. Наведена таблиця добре ілюструє структуру електромагнітного спектра. Як це очевидно, діапазон придатний для спектроскопічних методів аналізу, в основі яких лежать уявлення про спектри поглинання або випромінювання, лежать у межах досить вузької області електромагнітного спектра. Така область називається також оптичним діапазоном електромагнітного випромінювання. Інші області електромагнітного спектру використовуються у більш точних методах аналізу, таких, наприклад, як нейтронно-активаційний аналіз, рентгеноструктурний аналіз, мікрохвильова спектроскопія, спектроскопія ядерного та електронного парамагнітного резонансу (ЯМР- та ЕПР-спектроскопія).

Таблиця № 1. Області електромагнітного спектра

Використовувана область ЕМІ	λ	Діапазон ЕМІ
γ-випромінювання		Гамма-хвильовий діапазон
Рентгенівське випромінювання		Рентгенівська область ЕМІ
УФ-випромінювання		Оптичний діапазон
Видиме випромінювання
ІЧ-випромінювання
Мікрохвильове випромінювання		Мікрохвильовий діапазон
Радіохвилі		Радіодіапазон

Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком:

---