Электромагнитные поля (эмп) и излучения. Спектр электромагнитного излучения

Электромагнитный спектр условно делится на диапазоны. В результате их рассмотрения необходимо знать следующее.

  • Название диапазонов электромагнитных волн.
  • Порядок их следования.
  • Границы диапазонов в длинах волн или частотах.
  • Чем обусловлено поглощение или излучение волн того или иного диапазона.
  • Использование каждого типа электромагнитных волн.
  • Источники излучения различных электромагнитных волн (естественные и искусственные).
  • Опасность каждого вида волн.
  • Примеры объектов, имеющих размеры, сравнимые с длиной волны соответствующего диапазона.
  • Понятие об излучении абсолютно черного тела.
  • Солнечное излучение и окна прозрачности атмосферы.

Диапазоны электромагнитных волн

Микроволновый диапазон

Микроволновое излучение используется для подогрева еды в микроволновых печах, мобильной связи, радарах (радиолокаторах), до 300 ГГц легко проходит атмосферу, поэтому пригодно для спутниковой связи. В этом диапазоне работают радиометры для дистанционного зондирования и определения температуры разных слоев атмосферы, а также радио телескопы. Этот диапазон является одним из ключевых для спектроскопии ЭПР и вращательных спектров молекул. Длительное воздействие на глаза вызывает катаракту. Мобильные телефоны отрицательно влияют на головной мозг.

Характерной особенностью микроволновых волн является то, что их длина волны сравнима с размерами аппаратуры. Поэтому в этом диапазоне приборы конструируются на основе распределенных элементов. Для передачи энергии используются волноводы и полосковые линии, а в качестве резонансных элементов – объемные резонаторы или резонансные линии. Рукотворными источниками МВ волн являются клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Кроме того существуют мазеры, аналоги лазеров в длинноволновых диапазонах.

Микроволновые волны излучаются звездами.

В микроволновом диапазоне находится так называемое космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение), которое по своим спектральным характеристикам полностью соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2,72К. Максимум его интенсивности приходится на частоту 160 ГГц (1,9мм) (см. рис. ниже). Наличие этого излучения и его параметры являются одним из аргументов в пользу теории Большого Взрыва, которая в настоящее время является основой современной космологии. Последний, согласно, в частности, этим измерениям и наблюдениям, произошел 13,6 миллиардов лет назад.

Выше 300 ГГц (короче 1 мм) электромагнитные волны очень сильно поглощаются атмосферой Земли. Атмосфера начинает быть прозрачной в ИК и видимом диапазонах.

Цвет Диапазон длин волн, нм Диапазон частот, ТГц Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый 380-440 680-790 2,82-3,26
Синий 440-485 620-680 2,56-2,82
Голубой 485-500 600-620 2,48-2,56
Зелёный 500-565 530-600 2,19-2,48
Жёлтый 565-590 510-530 2,10-2,19
Оранжевый 590-625 480-510 1,98-2,10
Красный 625-740 400-480 1,68-1,98

Среди лазеров и источников с их применением, излучающих в видимом диапазоне, можно назвать следующие: первый запущенный лазер, - рубиновый, с длиной волны 694,3 нм, диодные лазеры, к примеру на основе GaInP и AlGaInP для красного диапазона, и на основе GaN для синего диапазона, титан-сапфировый лазер, He-Ne лазер, лазеры на ионах аргона и криптона, лазер на парах меди, лазеры на красителях, лазеры с удвоением или суммированием частоты в нелинейных средах, рамановские лаэеры. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Долгое время существовала проблема в создании компактных лазеров в сине-зеленой части спектра. Имелись газовые лазеры, такие как аргоновый ионный лазер (с 1964 года), у которого две основные линии генерации лежат в синей и зеленой части спектра (488 и 514 нм) или гелий кадмиевый лазер. Однако для многих приложений они не годились из-за своей громоздкости и ограниченного количества линий генерации. Создать полупроводниковые лазеры с широкой запрещенной зоной не удавалось из-за огромных технологических трудностей. Однако в конечном итоге были разработаны эффективные методы удвоения и утроения частоты твердотельных лазеров ИК и оптического диапазона в нелинейных кристаллах, полупроводниковые лазеры на основе двойных соединений GaN и лазеров с повышением частоты накачки (upconversion lasers).

Источники света в сине зеленой области позволяют увеличить плотность записи на CD-ROM, качество репрографии, необходимы для создания полноцветных проекторов, для осуществления связи с подводными лодками, для снятия рельефа морского дна, для лазерного охлаждения отдельных атомов и ионов, для контроля за осаждением из газа (vapor deposition), в проточной цитометрии. (взято из “Compact blue-green lasers” by W. P. Risk et al).

Литература:

Ультрафиолетовый диапазон

Считается, что ультрафиолетовый диапазон занимает область от 10 до 380 нм. Хотя границы его четко не определены, особенно в коротковолновой области. Он делится на поддиапазоны и это деление также не является однозначным, так как в разных источниках привязано к различным физическим и биологическим процессам.

Так на сайте "Health Physics Society" ультрафиолетовый диапазон определен в границах 40 - 400 нм и делится на пять поддиапазонов: вакуумный УФ (40-190 нм), дальний УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), и UVA (320-400 нм) (черный свет). В англоязычной версии статьи об ультрафиолете в Википедии "Ultraviolet" под ультрафиолетовое излучение выделяется диапазон 40 - 400 нм, однако в таблице в тексте представляется его деление на кучу перекрывающихся поддиапазонов, начиная с 10 нм. В русскоязычной версии Википедии "Ультрафиолетовое излучение" с самого начала границы УФ диапазона устанавливаются в пределах 10 - 400нм. Кроме того в Википедии для диапазонов UVC, UVB и UVA указаны области 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение несмотря на свое благотворное влияние в небольших количествах на биологические объекты является одновременно самым опасным из всех других естественных широкораспространенных излучений других диапазонов.

Основным естественным источником УФ излучения является Солнце. Однако не все излучение достигает Земли, так как поглощается озоновым слоем стратосферы и в области короче 200 нм очень сильно атмосферным кислородом.

UVC практически полностью поглощается атмосферой и не достигает земной поверхности. Этот диапазон используется бактерицидными лампами. Чрезмерная экспозиция приводит к повреждению роговицы и снежной слепоте, а также к тяжелым ожогам лица.

UVB наиболее разрушительная часть УФ излучения, так как она имеет достаточно энергии для повреждения ДНК. Она не полностью поглощается атмосферой (проходит около 2%). Это излучение необходимо для выработки (синтеза) витамина D, однако вредное влияние могут повлечь ожоги, катаракту и рак кожи. Эта часть излучения поглощается озоном атмосферы, снижение концентрации которого вызывает беспокойство.

UVA практически полностью достигает Земли (99%). Оно ответственно за загар, но чрезмерность приводит к ожогам. Как и UVB оно необходимо для синтеза витамина D. Облучение сверх меры приводит к подавлению иммунной системы, жесткости кожи и образованию катаракты. Излучение в этом диапазоне называют еще черным светом. Насекомые и птицы способны видеть этот свет.

На рисунке ниже для примера показана зависимость концентрации озона по высоте на северных широтах (желтая кривая) и уровень блокирования озоном солнечного ультрафиолета. UVC полностью поглощается до высот в 35 км. В то же время UVA почти полностью достигает поверхности Земли, однако это излучение практически не представляет какой-либо опасности. Озон задерживает большую часть UVB, однако некоторая его часть достигает Земли. В случае истощения озонового слоя большая часть будет облучать поверхность и приводить к генетическому повреждению живых существ.

Краткий список использования электромагнитных волн УФ диапазона.

  • Фотолитография высокого качеста для изготовления электронных устройств таких, как микропроцессоры и микросхем памяти.
  • При изготовлении оптоволоконных элементов, в частности брэгговских решеток.
  • Обеззараживание от микробов продуктов, воды, воздуха, предметов (UVC).
  • Черный свет (UVA) в криминалистике, в экспертизе произведений искусства, в установлении подлинности банкнот (явление флуоресценции).
  • Искусственный загар.
  • Лазерная гравировка.
  • Дерматология.
  • Стоматология (фотополимеризация пломб).

Рукотворными источниками ультрафиолетового излучения являются:

Немонохроматические: Ртутные газоразрядные лампы различных давлений и конструкций.

Монохроматические:

  1. Лазерные диоды, в основном на базе GaN, (небольшой мощности), генерирующие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне;
  2. Эксимерные лазеры являются очень мощными источниками ультрафиолетового излучения. Они излучают наносекундные (пикосекундные и микросекундные) импульсы со средней мощностью от нескольких ватт до сотен ватт. Типичные длины волн лежат между 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
  3. Некоторые твердотельные лазеры, легированные церием, такие как Ce3+:LiCAF или Ce3+:LiLuF4, которые работают в импульсном режиме с наносекундными импульсами;
  4. Некоторые оптоволоконные лазеры, к примеру, легированные неодимом;
  5. Некоторые лазеры на красителях способны излучать ультрафиолет;
  6. Ионный аргоновый лазер, который, несмотря на то, что основные линии лежат в оптическом диапазоне, может генерировать непрерывное излучение с длинами волн 334 и 351 нм, но с меньшей мощностью;
  7. Азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм. Очень простой и дешевый лазер, работает в импульсном режиме с наносекундной длительностью импульсов и с пиковой мощностью несколько мегаватт;
  8. Утроенние частоты Nd:YAG лазера в нелинейных кристаллах;

Литература:

  1. Википедиа "Ultraviolet" .

Электромагнитный спектр

Электромагни́тный спектр - совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения .

Длина волны - частота - энергия фотона

В качестве спектральной характеристики электромагнитного излучения используют следующие величины :

  • Частоту колебаний - шкала частот приведена в отдельной статье;
  • Энергию фотона (кванта электромагнитного поля).

Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма-квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма-квантов в первом приближении можно охарактеризовать его поверхностной плотностью (в г/см²). Зеркал и линз для γ-лучей не существует.

Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма-кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты - электронной оболочкой атома (это лишь терминологическое различие, не затрагивающее физических свойств излучения).

Рентгеновское излучение

  • от 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 эВ) - жёсткое рентгеновское излучение . Источники: некоторые ядерные реакции , электронно-лучевые трубки .
  • от 10 нм (124 эВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) - мягкое рентгеновское излучение . Источники: электронно-лучевые трубки, тепловое излучение плазмы.

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжёлых атомов на низколежащие орбиты. Вакансии на низколежащих орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое излучение); это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгено-флюоресцентный анализ). Тепловое , тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решётках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решёток. На этом основан метод рентгено-дифракционного анализа.

Ультрафиолетовое излучение

Диапазон: От 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)

Наименование Аббревиатура Длина волны в нанометрах Количество энергии на фотон
Ближний NUV 400 - 300 3,10 - 4,13 эВ
Средний MUV 300 - 200 4,13 - 6,20 эВ
Дальний FUV 200 - 122 6,20 - 10,2 эВ
Экстремальный EUV, XUV 121 - 10 10,2 - 124 эВ
Вакуумный VUV 200 - 10 6,20 - 124 эВ
Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, Чёрный свет UVA 400 - 315 3,10 - 3,94 эВ
Ультрафиолет B (средний диапазон) UVB 315 - 280 3,94 - 4,43 эВ
Ультрафиолет С, коротковолновой, гермицидный диапазон UVC 280 - 100 4,43 - 12,4 эВ

Оптическое излучение

Излучение оптического диапазона (видимый свет и ближнее инфракрасное излучение) свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломлено в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

  • от 30 ГГц до 300 ГГц - микроволны .
  • от 3 ГГц до 30 ГГц - сантиметровые волны (СВЧ) .
  • от 300 МГц до 3 ГГц - дециметровые волны .
  • от 30 МГц до 300 МГц - метровые волны.
  • от 3 МГц до 30 МГц - короткие волны .
  • от 300 кГц до 3 МГц - средние волны .
  • от 30 кГц до 300 кГц - длинные волны .
  • от 3 кГц до 30 кГц - сверхдлинные (мириаметровые) волны .

В отличие от оптического диапазона, исследование спектра в радиодиапазоне проводится не физическим разделением волн, а методами обработки сигналов .

См. также


Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М. - кратковременное электромагнитное поле, возникающее при взрыве ядерного боеприпаса в результате взаимодействия гамма излучения и нейтронов, испускаемых при ядерном взрыве, с атомами окружающей среды. Спектр частот электромагнитного импульса… … Морской словарь

    • Электромагнитный импульс ядерного взрыва - кратковременное электромагнитное поле, возникающее при взрыве ядерного боеприпаса в результате взаимодействия гамма излучения и нейтронов, испускаемых при ядерном взрыве с атомами окружающей среды. Спектр частей Э.м.и. соответствует диапазону… … Гражданская защита. Понятийно-терминологический словарь

    Солнечный свет после прохождения через треугольную стеклянную призму Спектр (лат. spectrum от лат. spectare смотреть) в физике распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы), а также графическое представление… … Википедия

    Кратковременное электромагнитное поле, возникающее при взрыве ядерного боеприпаса в результате взаимодействия гамма излучения и нейтронов, испускаемых при ядерном взрыве, с атомами окружающей среды. Спектр частот И.э.м. выводит из строя или… … Словарь черезвычайных ситуаций

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн

1859 спектроскопия

1864 уравнения максвелла

1864 СПЕКТР

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1900 излучение

Черного тела

После появления уравнений максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления - поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра - от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр - единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10 -9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.



Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны - сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857-1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года-всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн - итальянский инженер-физик Гуль-ельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874-1937) сконструировал

10" 10" 10* 10" 1

10 10* 10*

1СГ 5 10* 10"" 10^ 10*

- 10"" Рентгеновские

лучи - 10 -і*

- 10""

- 10"

- 1(Г"

- 1<Г"

Гамма-лучи

Электромагнитные волны образуют сплошной спектр длин волн и энергий (частот), подразделяемый на условные диапазоны - от радиоволн до гамма-лучей

первый работающий беспроволочный телеграф - прообраз современного радио, - за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. постоянная планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

Радиоволны

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине - от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике - дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/БЫ), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутни

ковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.

Инфракрасные лучи

Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей - как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Видимый свет

Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800-400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

Ультрафиолетовые лучи

К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400-10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных - тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Все живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

Рентгеновские лучи

Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагнос

тике. Как и в случае с радиоволнами, временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)

Гамма-лучи

Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре - это у-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.

Спектроскопия

Наличие атомов химических элементов в веществе можно выявить по присутствию характерных линий в спектре излучения или поглощения

СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Спектральные методы анализа основаны на регистрации спектров испускания или поглощения атомов и молекул и измерении интенсивности электромагнитного излучения в узком энергетическом диапазоне. Методы спектрального анализа подразделяются на радиочастотную, оптическую, рентгеновскую и др. виды спектрометрии в зависимости от того, в какой области электромагнитного спектра проводятся измерения.

Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано либо волновым , либо энергетическим параметрами. Все эти величины взаимосвязаны и выбор той или иной величины определяется удобствами при работе.

Волновой параметр выражается длиной волны l (м, см, мкм, нм или Å), частотой колебаний n (с -1 или герц, 1 Гц = 1 с -1), либо волновым числом uu (м -1 , см -1). В некоторых книгах волновое число обозначают знаком . Частота электромагнитных колебаний n связана с длиной волны l соотношением n = c/l, где с - скорость света в вакууме, равная 2.997925∙10 8 м/с (приближенно 3∙10 8 м/с). В спектроскопии принято называть частотой также и волновое число u = 1/l , показывающее, сколько длин волн умещается на интервале 1 см (т.е. если l = 10 -5 м = 10-3 см, то u = 1000 см -1). В нарушение требования об использовании системы СИ волновые числа измеряют по-прежнему в обратных сантиметрах (см -1). 1 см ≡ 11.9631 Дж /моль.

Частота линии спектра поглощения связана с разностью энергий ΔЕ возбужденного и основного состояний:

ΔЕ= hν = Е возб. - Е осн.,

где h – константа Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).

Как следует из вышеприведенной формулы кванты излучения с более короткой длиной волны (с более высокой частотой) имеют более высокую энергию.

Рис.1. Схема квантования энергии электрона в атомарном водороде (на схеме не указаны р - и d – подуровни). Энергия электрона с главным квантовым числом n = 1 соответствует основному состоянию атома (1s 1). Другие состояния (2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , ….) – возбужденные. Переход электрона из возбужденных состояний 2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , … на уровень 1s 1 соответствует серии Лаймана, из состояний 3s 1 , 4s 1 , … на уровень 2s 1 - серии Бальмера и т.д.

Рис. 2. Спектр испускания атомарного водорода - светлые линии и полосы на черном фоне. черные линии на белом фоне. Спектры поглощения выглядят иначе – черные линии и полосы (на том же самом месте) на белом фоне. белые линии и полосы на черном фоне. Расширение линий связано с

Спектр электромагнитного излучения

Е кванта →

10 5 3∙10 -4 8∙10 -7 4∙10 -7 10 -8 10 -12 l, м
Радиочастотная область Микроволновая область Инфракрасная область Видимое излучение Ультрафиолетовая область Рентгеновское излучение g - излучение космические лучи
Вращательный спектр К-вр. Электронный спектр Изменения Изменения
Изменение энергетического состояния спинов электронов (ЭПР - спектроскопия). Изменение энергетического состояния спинов ядер (ЯМР - спектроскопия) Колебательно - вращательный спектр (колебания атомов в молекуле). ИК - спектроскопия Изменения в энергетическом состоянии внешних (валентных) электронов (Спектроскопия в УФ и видимой области, КР - спектроскопия) в энергетическом состоянии внутренних электронов атомов (Рентгеноско-пия) в энергетическом состоянии ядер (ядерно- физические методы анализа)


Электромагнитный спектр простирается от жесткого g- излучения с очень короткой длиной волны до длинных радиоволн. Каждая из областей спектра связана с определенными видами внутримолекулярных движений, процессами в атомах и ядрах. При поглощении или испускании квантов света изменяется энергия электронов в электронных оболочках атомов и молекул, энергия колебания атомных ядер в молекуле и энергия вращения молекулы.

Все виды внутримолекулярных движений взаимосвязаны, но для каждого из них существует определенный набор допустимых (разрешенных) значений энергии.

1.1.1 Молекулярные спектры испускания, поглощения и комбинационного (см.п 1.4) рассеяния

Современное учение о спектрах электромагнитного излучения базируется на квантовой теории, согласно которой атомная система является устойчивой лишь в определенных стационарных состояниях, соответствующих некоторой дискретной последовательности значений энергии. Переход между двумя квантовыми состояниями 1 « 2 с энергиями Е 1 и Е 2 приводит к поглощению (абсорбции), ‌E 1 < E 2‌ , или испусканию (эмиссии), ‌E 1 > E 2‌ , энергии в виде электромагнитного излучения с частотой n, определяемой уравнением Бора:

DE =‌ ‌|E 1 - E 2‌ | ‌‌= hn,

где E 1 и E 2 - энергия начального и конечного состояний соответственно, hh - постоянная Планка, n - частота поглощаемого или испускаемого излучения. h = 6.616 10 -34 Дж∙с

Согласно уравнению частот Бора в спектре возникает линия с частотой (с -1)

n = |E 1 - E 2‌ | /h

или с волновым числом (см -1)

u = |E 1 - E 2‌ | /hc.

Переходы с нижнего энергетического уровня на верхний порождают спектр поглощения (абсорбции), с верхнего на нижний - спектр испускания (эмиссии) (рис.2).

В оптико - спектрометрических методах анализа используют дискретность энергетических уровней молекул и испускание или поглощение излучения, которое связано с переходом молекулы или атома с одного энергетического уровня на другой (Рис.1). Энергию квантов света в спектроскопии выражают в обратных сантиметрах, учитывая, что 1 см -1 ≡ 11.9631 Дж/моль. Наиболее высокую энергию имеют кванты, возникающие при электронных переходах (от 40 до 400 кДж/моль), затем следуют колебательные кванты (от 4 до 40 кДж/моль) и затем вращательные, с самой малой энергией (0.4 - 4 кДж/моль). Электронный переход одновременно сопровождается колебательными и вращательными переходами, т.е. представляет собой электронно - колебательно - вращательный переход. (рис.3).

Рис. 31. Схема энергетических уровней двухатомной молекулы: Е е - уровни энергии электронов; Е v – уровни колебательной энергии (vibration – вибрация, колебание): Е r – уровни вращательной энергии (rotation –вращение): v evr – переходы, соответствующие электронно – колебательно - вращательному спектру: v v r - переходы, соответствующие колебательно-вращательному спектру; v r – переходы, соответствующие вращательному спектру. [Золотов. Основы аналитической химии. Книга 2. с.207]

Энергия кванта такого перехода выражается формулой

e эл.-кол.-вр = e эл + e кол + e вр = hn эл + hn кол + hn вр,

а частота соответствующей линии в спектре равна сумме частот (это одна линия):

n эл.-кол.-вр = n эл + n кол + n вр.

Для краткости электронно – колебательно - вращательный спектр называют просто электронным спектром. Он состоит из множества серий полос в УФ и видимой области. Каждая серия отвечает одному электронныому переходаму с более высоких уровней на какой-либо ниже расположенный (рис.1). Энергия квантов, возбуждающих такие переходы, повторим, лежит в области 40 ÷ 400 кДж/моль. Волновые числаЧастоты νu квантов электронныхого переходова лежат в диапазоне (3.3 ÷ 33.3)∙10 3 см -1 , что соответствует длинам волнт.е. l от 0.3 до 3 мкм.

Кванты более низкой энергии в области 4 ÷ 40 кДж/моль отвечают переходам между колебательными уровнями. При этом неизбежно происходит и изменение вращательных состояний, еще более низких по энергии, и возникает колебательно-вращательный спектр. Энергия перехода и частота линий в колебательно-вращательном спектре связаны соотношениями:

e кол.-вр = e кол + e вр = hn кол + hn вр.

n кол.-вр = n кол + n вр.

При данном колебательном переходе с частотой n кол возникает полоса, отдельные линии которой отвечают разным комбинациям слагаемых в сумме n кол + n вр. Волновые числа u Частоты колебательных квантов n простираются от 30 до 4000 см -1 (l от 2.5 мкм до 0.3 мм). Это далекая инфракрасная область, вплотную смыкающаяся с областью миллиметровых радиоволн.

Кванты еще более низкой энергии (0.4 ÷ 4 кДж/моль) могут вызывать только переходы между вращательными уровнями и дают начало чисто вращательному спектру. Энергии перехода и частоты во вращательном спектре связаны соотношением

e вр = hn вр.

Каждая линия в таком спектре имеет частоту n вр , отвечающую i -му вращательному переходу. Вращательный спектр имеет частоты порядка 10 -1 ÷ 1 см -1 и простирается в область субмиллиметровых (МВ - микроволновая область) и сантиметровых (СВЧ - сверхвысокочастотная область) радиоволн.

Рис.3.Форма полос в молекулярных спектрах: а - гладкий колокообразный контур; б – полоса с выраженной тонкой структурой. Характеристики полосы: I max , v max , Δv. Спектральная полоса –это совокупность близко расположенных спектральных линий, образующихся в результате наложения на электронный переход сопутствующих ему колебательных и вращательных переходов.

Контур спектральной полосы в молекулярных спектрах может быть гладким колокообразным или обнаруживать тонкую структуру (рис.3). Полосу без разрешенной тонкой структуры принято характеризовать, как и спектральную линию, тремя параметрами: частотой n max (длиной волны l max ); значением максимальной интенсивности (пиковой интенсивности) I max ; шириной Δv (Δλ ). Ширина полос в колебательно-вращательном спектре может достигать нескольким десятков обратных сантиметров, а в электронном – несколько тысяч обратных сантиметров.

1.1.2 Возбуждение спектра

Энергетическое воздействие на вещество может осуществляться тепловым, электромагнитным, химическим и другими путями. Все эти воздействия приводят к испусканию веществом электромагнитных излучений. Энергия излучается в виде линейчатого спектра, характеризующегося дискретными значениями длин волн. При прохождении излучения сплошного спектра через вещество, напротив, происходит поглощение энергии и образуется спектр поглощения, также характеризующийся дискретными значениями длин волн. Отношение интенсивностей полосы, отвечающей одному и тому же переходу m « n , в спектре поглощения (абсорбции) I a и спектре испускания (эмиссии) I e различно и зависит от частоты перехода. Теория приводит к соотношению

т.е. интенсивность испускания I e во много раз превосходит интенсивность поглощения I a в области высоких частот . Поэтому спектры испускания удобнее изучатьизучают в видимой и ультрафиолетовой области. В области малых частот (ИК- и СВЧ- области) удобнее изучать спектры поглощения. На этих частотах, наоборот, интенсивнее спектры абсорбции.

С другой стороны, спектры испускания известны для атомов (изучены атомные спектры) и лишь сравнительно небольшого числа достаточно простых молекул. Поэтому молекулярные спектры изучают главным образом как спектры поглощения , когда излучение источника сплошного спектра (например, лампы накаливания) проходит через кювету, наполненную раствором вещества. Так как каждый структурный элемент молекулы поглощает энергию только в характерной для него области, то определив частоту и количественно оценив интенсивность поглощаемого излучения можно установить структуру соединения (качественный анализ) и определить количество исследуемого вещества (количественный анализ).

Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 – 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10-7 до 4*10-7 м, от красного до фиолетового света.

Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 – 1810), исследуя спектр, открыл, что за его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.

Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи . Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.

Гамма-излучение . Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение (l< 10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц – гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.