Электромагнитной волны.

Спектральные и другие оптические методы анализа основаны на использовании различных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения. Как было выяснено в предыдущем разделе, свет имеет двойственную природу и обладает как волновыми, так и корпускулярными (дискретными) свойствами. Электромагнитная волна состоит из двух компонент - электрической (вектор напряжённости электрического поля) и магнитной (вектор магнитной индукции), направленных перпендикулярно друг другу и к направлению движения волны. В отличие от других волновых процессов, например, звуковых волн, для распространения электромагнитного излучения не нужна проводящая среда. Учитывая корпускулярно-волновую природу электромагнитного излучения, для его описания можно использовать соответственно два вида характеристик - квантовые и волновые. К волновым характеристикам относятся частота колебаний, длина волны и волновое число, к квантовым - энергия квантов.

Длина волны, λ представляет собой то расстояние, которое проходит волна за один период её колебаний (расстояние между двумя последовательными максимумами). Длина волны измеряется в метрах (м), однако в ряде случаев на практике предпочтительней использовать кратные единицы измерения - нанометры (нм) или микрометры (мкм), а также внесистемные единицы, например ангстремы (Å).

Частота, ν - это число колебаний за 1 секунду и измеряется в герцах (1 Гц = 1 с ^-1) или в кратных ему единицах, например, 1 МГц = 10⁶ Гц. Длина волны и частота колебаний связаны между собой уравнением вида:

где с - скорость распространения волны в данной среде. Для электромагнитной волны справедливо соотношение вида:

где с₀ - скорость распространения света в вакууме (2,99792^. 10⁸ м/c), n - показатель преломления среды. Частота колебаний, в общем случае, является более фундаментальной характеристикой, чем длина волны, поскольку зависит только от свойств источника излучения и не зависит от свойств среды. Длина волны зависит от природы среды, температуры и давления.

Волновое число, представляет собой число волн, приходящихся на 1 см в вакууме и имеет размерность (см ^-1), определяется выражением вида:

Электромагнитное излучение можно также рассматривать как поток частиц - фотонов. Связь между волновой и корпускулярной природой электромагнитного излучения устанавливается на основании уравнения Планка:

где

что нисколько не противоречит хорошо известной формуле:

если учесть, что:

тогда соответственно:

где

Чтобы получить энергию, приходящуюся на 1 моль вещества, необходимо это значение умножить на число Авогадро, т.е. имеем соответственно:

единицей измерения энергии является джоуль (Дж). В спектроскопии также часто используют внесистемную единицу измерения - электрон-вольт (эВ):

из формулы Планка:

или эквивалентной ей формы:

а также соотношений вида:

следует, что:

или при условии, что наблюдается квантовые переходы с низшего энергетического уровня на высший, или наоборот - квантовые переходы с высшего энергетического уровня на низший по энергии энергетический уровень, будем иметь соответственно:

при этом если , то имеет место поглощение энергии и переход электрона с низшего энергетического уровня на высший энергетический уровень. Если же , то имеет место обратный процесс - переход электрона с высшего энергетического уровня на низший в энергетическом отношении уровень и как следствие - излучение избыточного количества энергии в виде квантов энергии. Из полученных выше соотношений следует, что чем больше будет длина волны электромагнитного излучения (меньше частота колебаний), тем меньше будет его энергия и наоборот - чем меньше будет длина волны электромагнитного излучения (больше частота колебаний), тем больше будет его энергия. Совокупность всех энергий (длин волн, частот) электромагнитного излучения, называется его электромагнитным спектром. В спектроскопических методах анализа спектром (спектром поглощения, спектром испускания) называется зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих данной энергией. Приведенная выше таблица хорошо иллюстрирует структуру электромагнитного спектра. Как это очевидно, диапазон пригодный для спектроскопических методов анализа, в основе которых лежат представления о спектрах поглощения или испускания, лежат в пределах достаточно узкой области электромагнитного спектра. Такая его область называется также оптическим диапазоном электромагнитного излучения. Другие области электромагнитного спектра используются в более точных методах анализа, таких, например, как нейтронно-активационный анализ, рентгеноструктурный анализ, микроволновая спектроскопия, спектроскопия ядерного и электронного парамагнитного резонанса (ЯМР- и ЭПР-спектроскопия).

Таблица № 1. Области электромагнитного спектра

Используемая область ЭМИ	λ	Диапазон ЭМИ
γ-излучение		Гамма-волновой диапазон
Рентгеновское излучение		Рентгеновская область ЭМИ
УФ-излучение		Оптический диапазон
Видимое излучение
ИК-излучение
Микроволновое излучение		Микроволновой диапазон
Радиоволны		Радиодиапазон