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):
Область | Длина волны | |
в м | в нм | |
Рентгеновская | 10-12…10-8 | До 10 |
Дальняя УФ | 10-8…10-7 | 10...200 |
Ближняя УФ | 2 •10-7…4•10-7 | 200...400 |
Видимая | 4•10-7…7,6•10-7 | 400...760 |
Ближняя ИК | 7,6•10-7…2,5•10-6 | 760...2500 |
Средняя ИК | 2,5•10-6…5,0•10-5 | 2 500...5 000 |
Дальняя ИК | 5,0•10-5…1,0•10-3 | 5 000... 1 000 000 |
Микроволновая | 1,0•10-3…1,0 | — |
Радиоволновая | 1,0…1,0•103 | — |
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.