Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение (ЭМИ) имеет двойственную при­роду — волновую и корпускулярную. Для описания ЭМИ исполь­зуют волновые и квантовые характеристики (параметры).

Волновые параметры. Электромагнитную волну (рис. 7) мож­но представить в виде двух переменных полей, перпендикуляр­ных друг другу и к направлению движения волны.

Частота (n). Это число колебаний в единицу времени. В систе­ме СИ единица частоты — Гц. 1 Гц = 1 колебанию в секунду. Высокие частоты измеряют в кГц. 1 кГц = 10³ Гц. 1 МГц = 10⁶ Гц. Зеленый свет, например, характеризуется частотой 6 • 10 Гц.

Длина волны (l). Это расстояние между двумя соседними максимумами волны. Она равна отношению скорости к частоте. В системе СИ она измеряется в метрах и его долях — сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм), нанометрах (нм), ангстремах (А) — 1 мкм = 10^{-6 м; 1 нм = 10-9 м; 1А = 10-10 м. Зеле­ный свет, например, представляет собой электромагнитные коле­бания с длиной волны 500...550 нм (5 • 10-7}...5,5 • 10^{-7 м).}

Совокупность всех частот (длин волн) ЭМИ называют электро­магнитным спектром.

В зависимости от длины волны в электромагнитном спектре выделяют следующие участки (области):

Волновое число (). Это число волн, приходящееся на единицу расстояния. В качестве единицы волнового числа наиболее часто используют обратный сантиметр (см^-1). Для зеленого света = 0,5 мм^-1.

Скорость распространения ЭМИ в определенной среде (с). В вакууме она максимальна (с = 2,99792 • 10⁸ м/с = 300 000 км/с = 3,0 • 10¹⁰см/с). В любой другой среде с₁=с/h₁ где h — коэффи­циент преломления среды.

Интенсивность (I). На практике за интенсивность принима­ют значение аналитического сигнала в произвольных единицах, например число делений шкалы прибора. По определению, ин­тенсивность ЭМИ — это мощность ЭМИ, испускаемого источни­ком в определенном направлении, на единицу телесного угла; она пропорциональна квадрату амплитуды.

Плоскость поляризации. Это плоскость ХУ, в которой колеб­лется электромагнитное поле, т. е. плоскость, проходящая через направление распространения линейно поляризованной электро­магнитной волны и направление колебаний электрического вектора этой волны. Электромагнитный поток, состоящий из множества плоскостей поляризации, называют неполяризованным, а поток, в котором поля электрическое или магнитное лежат в одной плоскости — плоскополяризованным.

Квантовые (корпускулярные) параметры.Электромагнитное излучение состоит из потока дискретных частиц (квантов света, или фотонов) движущихся со скоростью света. Фотон — матери­альная частица с определенными массой и импульсом, отклоняю­щаяся от прямолинейного пути под действием силы тяжести, но в отличие от других материальных тел движущаяся только со ско­ростью света. Каждый фотон обладает энергией, связанной с его массой и частотой или длиной волны соотношениями (1) и (2):

где h — постоянная Планка, равная 6,625 • 10^-34 Дж • с или 4,1 • 10^-15 эВ/с. 1 эВ = 1,6022 • 10^-19Дж. Следовательно, фотон можно охарактеризовать час­тотой или энергией.

Двойственная природа свойственна всем материальным телам и физическим полям, т. е. между массой, скоростью и длиной волны любого материального тела справедливы соотношения (1) и (2).

В результате взаимодействия ЭМИ со всей массой вещества (материальным телом) наблюдается: рефракция, поляризация (оптическая активность), дифракция, дисперсия, поглощение (отражение, пропускание, рассеивание). При взаимодействии ЭМИ с атомами или молекулами вещества наблюдают атомные или молекулярные спектры. Состояние электрона в атоме, а сле­довательно, его энергетический уровень описывают набором че­тырех квантовых чисел: главного, побочного, магнитного и спи­нового.