Електромагнітний діапазон умовно ділиться на спектри. Внаслідок їх розгляду необхідно знати наступне.
- Назва діапазонів електромагнітних хвиль.
- Порядок їхнього прямування.
- Межі діапазонів у довжинах хвиль чи частотах.
- Чим обумовлено поглинання чи випромінювання хвиль тієї чи іншої діапазону.
- Використання кожного типу електромагнітних хвиль.
- Джерела випромінювання різних електромагнітних хвиль (природні та штучні).
- Небезпека кожного виду хвиль.
- Приклади об'єктів, що мають розміри, можна порівняти з довжиною хвилі відповідного діапазону.
- Поняття про випромінювання чорного тіла.
- Сонячне випромінювання та вікна прозорості атмосфери.
Діапазони електромагнітних хвиль
Мікрохвильовий діапазон
Мікрохвильове випромінювання використовується для підігріву їжі в мікрохвильових печах, мобільного зв'язку, радарах (радіолокаторах), до 300 ГГц легко проходить атмосферу, тому є придатним для супутникового зв'язку. У цьому діапазоні працюють радіометри для дистанційного зондування та визначення температури різних шарів атмосфери, а також телескопи радіо. Цей діапазон є одним із ключових для спектроскопії ЕПР та обертальних спектрів молекул. Тривала дія на очі викликає катаракту. Мобільні телефони негативно впливають на мозок.
Характерною особливістю мікрохвильових хвиль є те, що їх довжина хвилі можна порівняти з розмірами апаратури. Тому у цьому діапазоні прилади конструюються з урахуванням розподілених елементів. Для передачі енергії використовуються хвилеводи та смужкові лінії, а як резонансні елементи – об'ємні резонатори або резонансні лінії. Рукотворними джерелами МВ хвиль є клістрони, магнетрони, лампи хвилі (ЛБВ), що біжить, діоди Ганна, лавинно-прогонові діоди (ЛПД). Крім того існують мазери, аналоги лазерів у довгохвильових діапазонах.
Мікрохвильові хвилі випромінюються зірками.
У мікрохвильовому діапазоні знаходиться так зване космічне мікрофонове мікрохвильове випромінювання (реліктове випромінювання), яке за своїми спектральними характеристиками повністю відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла з температурою 2,72К. Максимум його інтенсивності посідає частоту 160 ГГц (1,9мм) (див. рис. нижче). Наявність цього випромінювання та його параметри є одним із аргументів на користь теорії Великого Вибуху, яка нині є основою сучасної космології. Останній, відповідно, зокрема, до цих вимірів і спостережень, стався 13,6 мільярдів років тому.
Понад 300 ГГц (коротше 1 мм) електромагнітні хвилі дуже поглинаються атмосферою Землі. Атмосфера починає бути прозорою в ІЧ та видимому діапазонах.
| Колір | Діапазон довжин хвиль, нм | Діапазон частот, ТГц | Діапазон енергії фотонів, еВ |
|---|---|---|---|
| Фіолетовий | 380-440 | 680-790 | 2,82-3,26 |
| Синій | 440-485 | 620-680 | 2,56-2,82 |
| Блакитний | 485-500 | 600-620 | 2,48-2,56 |
| Зелений | 500-565 | 530-600 | 2,19-2,48 |
| Жовтий | 565-590 | 510-530 | 2,10-2,19 |
| Помаранчевий | 590-625 | 480-510 | 1,98-2,10 |
| Червоний | 625-740 | 400-480 | 1,68-1,98 |
Серед лазерів та джерел з їх застосуванням, що випромінюють у видимому діапазоні, можна назвати наступні: перший запущений лазер, - рубіновий, з довжиною хвилі 694,3 нм, діодні лазери, наприклад на основі GaInP та AlGaInP для червоного діапазону, та на основі GaN для синього діапазону, титан-сапфіровий лазер, He-Ne лазер, лазери на іонах аргону та криптону, лазер на парах міді, лазери на барвниках, лазери з подвоєнням або підсумовуванням частоти в нелінійних середовищах, раманівські лаеєри. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).
Довгий час існувала проблема у створенні компактних лазерів у синьо-зеленій частині спектру. Були газові лазери, такі як аргоновий іонний лазер (з 1964 року), у якого дві основні лінії генерації лежать у синій та зеленій частині спектру (488 і 514 нм) або кадмієвий гелій лазер. Однак для багатьох додатків вони не підходили через свою громіздкість та обмежену кількість ліній генерації. Створити напівпровідникові лазери із широкою забороненою зоною не вдавалося через величезні технологічні труднощі. Однак зрештою були розроблені ефективні методи подвоєння та потроєння частоти твердотільних лазерів ІЧ та оптичного діапазону в нелінійних кристалах, напівпровідникові лазери на основі подвійних з'єднань GaN та лазерів з підвищенням частоти накачування (upconversion lasers).
Джерела світла в синьо-зеленій області дозволяють збільшити щільність запису на CD-ROM, якість репрографії, необхідні для створення повнокольорових проекторів, для здійснення зв'язку з підводними човнами, для зняття рельєфу морського дна, для лазерного охолодження окремих атомів та іонів, для контролю за осадженням з газу (vapor deposition), у проточній цитометрії. (Взято з "Compact blue-green lasers" by W. P. Risk et al).
Література:
Ультрафіолетовий діапазон
Вважається, що ультрафіолетовий діапазон займає від 10 до 380 нм. Хоча межі його чітко не визначені, особливо у короткохвильовій області. Він ділиться на піддіапазони і цей поділ також не є однозначним, оскільки в різних джерелах прив'язаний до різних фізичних та біологічних процесів.
Так, на сайті "Health Physics Society" ультрафіолетовий діапазон визначений у межах 40 - 400 нм і ділиться на п'ять піддіапазонів: вакуумний УФ (40-190 нм), далекий УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), та UVA (320-400 нм) (чорне світло). В англомовній версії статті про ультрафіолет у Вікіпедії "Ultraviolet" під ультрафіолетове випромінювання виділяється діапазон 40 - 400 нм, проте в таблиці в тексті представляється його поділ на купу піддіапазонів, що перекриваються, починаючи з 10 нм. У російськомовній версії Вікіпедії "Ультрафіолетове випромінювання" від початку кордону УФ діапазону встановлюються в межах 10 - 400нм. Крім того, у Вікіпедії для діапазонів UVC, UVB та UVA вказані області 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.
Ультрафіолетове випромінювання незважаючи на свій сприятливий вплив у невеликих кількостях на біологічні об'єкти є одночасно найнебезпечнішим з усіх інших природних широкорозповсюджених випромінювань інших діапазонів.
Основним природним джерелом УФ-випромінювання є Сонце. Однак не все випромінювання досягає Землі, так як поглинається озоновим шаром стратосфери і в області коротше 200 нм дуже атмосферним киснем.
UVC практично повністю поглинається атмосферою та не досягає земної поверхні. Цей діапазон використовується бактерицидними лампами. Надмірна експозиція призводить до пошкодження рогівки та снігової сліпоти, а також до тяжких опіків обличчя.
UVB є найбільш руйнівною частиною УФ випромінювання, так як вона має достатньо енергії для пошкодження ДНК. Вона повністю поглинається атмосферою (проходить близько 2%). Це випромінювання необхідне вироблення (синтезу) вітаміну D, проте шкідливий вплив можуть спричинити опіки, катаракту і рак шкіри. Ця частина випромінювання поглинається озоном атмосфери, зниження концентрації якого викликає занепокоєння.
UVA майже повністю досягає Землі (99%). Воно відповідальне за засмагу, але надмірність призводить до опіків. Як і UVB воно необхідне для синтезу вітаміну D. Опромінення надміру призводить до придушення імунної системи, жорсткості шкіри та утворення катаракти. Випромінювання у цьому діапазоні називають ще чорним світлом. Комахи та птахи здатні бачити це світло.
На малюнку нижче для прикладу показано залежність концентрації озону по висоті на північних широтах (жовта крива) та рівень блокування озоном сонячного ультрафіолету. UVC повністю поглинається до висот 35 км. У той же час UVA майже повністю досягає поверхні Землі, проте це випромінювання практично не становить будь-якої небезпеки. Озон затримує більшу частину UVB, проте деяка його частина сягає Землі. У разі виснаження озонового шару більшість буде опромінювати поверхню і призводити до генетичного пошкодження живих істот.
Короткий список використання електромагнітних хвиль УФ діапазону.
- Фотолітографія високого якості для виготовлення електронних пристроїв таких, як мікропроцесори та мікросхем пам'яті.
- При виготовленні оптоволоконних елементів, зокрема брегівських грат.
- Знезараження від бактерій продуктів, води, повітря, предметів (UVC).
- Чорне світло (UVA) у криміналістиці, в експертизі витворів мистецтва, у встановленні справжності банкнот (явище флуоресценції).
- Штучна засмага.
- Лазерне гравіювання.
- Дерматологія.
- Стоматологія (фотополімеризація пломб).
Рукотворними джерелами ультрафіолетового випромінювання є:
Немонохроматичні:Ртутні газорозрядні лампи різних тисків та конструкцій.
Монохроматичні:
- Лазерні діоди, в основному на базі GaN, (невеликій потужності), що генерують у ближньому ультрафіолетовому діапазоні;
- Ексімерні лазери є дуже сильними джерелами ультрафіолетового випромінювання. Вони випромінюють наносекундні (пікосекундні та мікросекундні) імпульси із середньою потужністю від декількох ватів до сотень ватів. Типові довжини хвиль лежать між 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
- Деякі твердотілі лазери, леговані церієм, такі як Ce3+:LiCAF або Ce3+:LiLuF4, які працюють в імпульсному режимі з наносекундними імпульсами;
- Деякі оптоволоконні лазери, наприклад, леговані неодимом;
- Деякі лазери на барвниках здатні випромінювати ультрафіолет;
- Іонний аргоновий лазер, який, незважаючи на те, що основні лінії лежать в оптичному діапазоні може генерувати безперервне випромінювання з довжинами хвиль 334 і 351 нм, але з меншою потужністю;
- Азотний лазер, що випромінює на довжині хвилі 337 нм. Дуже простий та дешевий лазер, працює в імпульсному режимі з наносекундною тривалістю імпульсів та з піковою потужністю кілька мегават;
- Потрійні частоти Nd:YAG лазера у нелінійних кристалах;
Література:
- Вікіпедія "Ultraviolet".
Електромагнітний спектр
Електромагнітний спектр- Сукупність всіх діапазонів частот електромагнітного випромінювання.
Довжина хвилі - частота - енергія фотона
В якості спектральної характеристики електромагнітного випромінювання використовують такі величини:
- Частота коливань - шкала частот наведена в окремій статті;
- Енергію фотону (кванту електромагнітного поля).
Прозорість речовини для гамма-променів, на відміну видимого світла, залежить немає від хімічної форми та агрегатного стану речовини, а переважно від заряду ядер, які входять до складу речовини, і зажадав від енергії гамма-квантов. Тому поглинаючу здатність шару речовини для гамма-квантів у першому наближенні можна охарактеризувати його поверхневою щільністю (г/см²). Дзеркал та лінз для γ-променів не існує.
Різкої нижньої межі для гамма-випромінювання не існує, проте зазвичай вважається, що гамма-кванти випромінюються ядром, а рентгенівські кванти - електронною оболонкою атома (це лише термінологічна відмінність, що не торкається фізичних властивостей випромінювання).
Рентгенівське випромінювання
- від 0,1 нм = 1 Å (12 400 еВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 еВ) - тверде рентгенівське випромінювання. Джерела: деякі ядерні реакції, електронно-променеві трубки.
- від 10 нм (124 еВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 еВ) - м'яке рентгенівське випромінювання. Джерела: електронно-променеві трубки, теплове випромінювання плазми.
Рентгенівські кванти випромінюються в основному при переходах електронів в електронній оболонці важких атомів на орбіти, що низьколежать. Вакансії на низьких орбітах створюються зазвичай електронним ударом. Рентгенівське випромінювання, створене таким чином, має лінійний спектр із частотами, характерними для даного атома (див. характеристичне випромінювання); це дозволяє зокрема дослідити склад речовин (рентгено-флюоресцентний аналіз). Теплове, гальмівне та синхротронне рентгенівське випромінювання має безперервний спектр.
У рентгенівських променях спостерігається дифракція на кристалічних ґратах, оскільки довжини електромагнітних хвиль цих частотах близькі до періодів кристалічних ґрат. На цьому ґрунтується метод рентгено-дифракційного аналізу.
Ультрафіолетове випромінювання
Діапазон: Від 400 нм (3,10 еВ) до 10 нм (124 еВ)
| Найменування | Абревіатура | Довжина хвилі в нанометрах | Кількість енергії на фотон |
|---|---|---|---|
| Близький | NUV | 400 - 300 | 3,10 - 4,13 еВ |
| Середній | MUV | 300 - 200 | 4,13 - 6,20 еВ |
| Далекий | FUV | 200 - 122 | 6,20 - 10,2 еВ |
| Екстремальний | EUV, XUV | 121 - 10 | 10,2 - 124 еВ |
| Вакуумний | VUV | 200 - 10 | 6,20 - 124 еВ |
| Ультрафіолет А, довгохвильовий діапазон, Чорне світло | UVA | 400 - 315 | 3,10 - 3,94 еВ |
| Ультрафіолет B (середній діапазон) | UVB | 315 - 280 | 3,94 - 4,43 еВ |
| Ультрафіолет С, короткохвильовий, герміцидний діапазон | UVC | 280 - 100 | 4,43 - 12,4 еВ |
Оптичне випромінювання
Випромінювання оптичного діапазону (видиме світло та ближнє інфрачервоне випромінювання) вільно проходить крізь атмосферу, може бути легко відображено та заломлено в оптичних системах. Джерела: теплове випромінювання (зокрема Сонця), флюоресценція, хімічні реакції, світлодіоди.
- від 30 ГГц до 300 ГГц - мікрохвилі.
- від 3 ГГц до 30 ГГц - сантиметрові хвилі (НВЧ).
- від 300 МГц до 3 ГГц - дециметрові хвилі.
- від 30 МГц до 300 МГц – метрові хвилі.
- від 3 МГц до 30 МГц - короткі хвилі.
- від 300 кГц до 3 МГц - середні хвилі.
- від 30 кГц до 300 кГц - довгі хвилі.
- від 3 кГц до 30 кГц - наддовгі (міріаметрові) хвилі.
На відміну від оптичного діапазону дослідження спектра в радіодіапазоні проводиться не фізичним поділом хвиль, а методами обробки сигналів .
також
Wikimedia Foundation. 2010 .
- Тлумачний англо-російський словник з нанотехнології. - М. - короткочасне електромагнітне поле, що виникає під час вибуху ядерного боєприпасу внаслідок взаємодії гамма випромінювання та нейтронів, що випускаються при ядерному вибуху, з атомами навколишнього середовища. Спектр частот електромагнітного імпульсу.
Електромагнітний імпульс ядерного вибуху- короткочасне електромагнітне поле, що виникає під час вибуху ядерного боєприпасу внаслідок взаємодії гамма випромінювання та нейтронів, що випускаються при ядерному вибуху з атомами навколишнього середовища. Спектр елементів Е.М.І. відповідає діапазону… Цивільний захист. Понятийно-термінологічний словник
Сонячне світло після проходження через трикутну скляну призму Спектр (лат. spectrum від лат. spectare дивитися) у фізиці розподіл значень фізичної величини (зазвичай енергії, частоти чи маси), а також графічне уявлення… Вікіпедія
Короткочасне електромагнітне поле, що виникає під час вибуху ядерного боєприпасу внаслідок взаємодії гамма випромінювання та нейтронів, що випускаються при ядерному вибуху, з атомами навколишнього середовища. Спектр частот І.е.м. виводить з ладу або… Словник надзвичайних ситуацій
Є цілий ряд типів електромагнітного випромінювання, починаючи з радіохвиль і закінчуючи гамма-променями. Електромагнітні промені всіх типів поширюються у вакуумі зі швидкістю світла та відрізняються один від одного лише довжинами хвиль
1859 р. спектроскопія
1864 р. рівняння максвела
1864 СПЕКТР
ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
1900 випромінювання
Чорного тіла
Після появи рівнянь максвелла стало ясно, що вони пророкують існування невідомого науці природного явища - поперечних електромагнітних хвиль, що являють собою коливання взаємопов'язаних електричного і магнітного полів, що поширюються в просторі зі швидкістю світла. Сам Джеймс Кларк Максвелл першим і вказав науковому співтоваристві на це наслідок виведеної ним системи рівнянь. У цьому заломленні швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі виявилася настільки важливою і фундаментальною вселенською константою, що її позначили окремою літерою з на відміну від інших швидкостей, які прийнято позначати літерою v.
Зробивши це відкриття, Максвелл відразу ж визначив, що видиме світло є «лише» різновидом електромагнітних хвиль. На той час були відомі довжини світлових хвиль видимої частини спектра – від 400 нм (фіолетові промені) до 800 нм (червоні промені). (Нанометр - одиниця довжини, що дорівнює однієї мільярдної метра, яка в основному використовується в атомній фізиці та фізиці променів; 1 нм = 10 -9 м.) Всім кольорам веселки відповідають різні довжини хвиль, що лежать у цих дуже вузьких межах. Однак у рівняннях Максвелла не було жодних обмежень на можливий діапазон довжин електромагнітних хвиль. Коли стало ясно, що повинні існувати електромагнітні хвилі найрізноманітнішої довжини, фактично відразу ж було висунуто порівняння з приводу того, що людське око розрізняє таку вузьку смугу їх довжин і частот: людину уподібнили слухачеві симфонічного концерту, слух якого здатний вловлювати тільки скрипкову партію, не розрізняючи інших звуків.
Незабаром після передбачення Максвеллом існування електромагнітних хвиль інших діапазонів спектра була серія відкриттів, що підтвердили його правоту. Першими в 1888 були відкриті радіохвилі - зробив це німецький фізик Генріх Герц (Heinrich Hertz, 1857-1894). Єдина різниця між радіохвилями та світлом полягає в тому, що довжина радіохвиль може коливатися в діапазоні від кількох дециметрів до тисяч кілометрів. Згідно з теорією Максвелла, причиною виникнення електромагнітних хвиль є прискорений рух електричних зарядів. Коливання електронів під впливом змінної електричної напруги в антені радіопередавача створюють електромагнітні хвилі, що розповсюджуються в земній атмосфері. Всі інші типи електромагнітних хвиль також виникають внаслідок різних видів прискореного руху електричних зарядів.
Подібно до світлових хвиль, радіохвилі можуть практично без втрат поширюватися на великі відстані в земній атмосфері, і це робить їх корисними носіями закодованої інформації. Вже на початку 1894-всього через п'ять з невеликим років після відкриття радіохвиль - італійський інженер-фізик Гуль-ельмо Марконі (Guglielmo Marconi, 1874-1937) сконструював
10" 10" 10* 10" 1
10 10* 10*
1СГ 5 10* 10"" 10^ 10*
- 10"" Рентгенівські
промені - 10 -і *
- 10""
- 10"
- 1(Г"
- 1<Г"
Гамма-промені
Електромагнітні хвилі утворюють суцільний спектр довжин хвиль та енергій (частот), що поділяється на умовні діапазони - від радіохвиль до гамма-променів
перший працюючий бездротовий телеграф - прообраз сучасного радіо, - за що 1909 року був удостоєний Нобелівської премії.
Після того, як було вперше експериментально підтверджено прогнозоване рівняннями Максвелла існування електромагнітних хвиль за межами видимого спектру, інші ніші спектру заповнилися дуже швидко. Сьогодні відкриті електромагнітні хвилі всіх без винятку діапазонів, і практично всі вони знаходять широке та корисне застосування у науці та техніці. Частоти хвиль та енергії відповідних їм квантів електромагнітного випромінювання (див. постійна планка) зростають із зменшенням довжини хвилі. Сукупність усіх електромагнітних хвиль утворює суцільний спектр електромагнітного випромінювання. Він поділяється на такі діапазони (у порядку збільшення частоти та зменшення довжини хвиль):
Радіохвилі
Як зазначалося, радіохвилі можуть істотно відрізнятися за довжиною - від кількох сантиметрів до сотень і навіть тисяч кілометрів, що можна порівняти з радіусом земної кулі (близько 6400 км). Хвилі всіх радіодіапазонів широко використовуються в техніці - дециметрові та ультракороткі метрові хвилі застосовуються для телемовлення та радіомовлення в діапазоні ультракоротких хвиль з частотною модуляцією (УКХ/Б), забезпечуючи високу якість прийому сигналу в межах зони прямого поширення хвиль. Радіохвилі метрового та кілометрового діапазону застосовуються для радіомовлення та радіозв'язку на великих відстанях з використанням амплітудної модуляції (АМ), яка, хоча і на шкоду якості сигналу, забезпечує його передачу на скільки завгодно великі відстані в межах Землі завдяки відображенню хвиль від іоносфери планети. Втім, сьогодні цей вид зв'язку відходить у минуле завдяки розвитку супутникового зв'язку. Хвилі дециметрового діапазону не можуть огинати земний горизонт подібно до метрових хвиль, що обмежує зону прийому областю прямого поширення, яка, залежно від висоти антени та потужності передавача, становить від кількох до кількох десятків кілометрів. І тут на допомогу приходять супутникові ретранслятори, що беруть на себе ту роль відбивачів радіохвиль, яку щодо метрових хвиль грає іоносфера.
Мікрохвилі
Мікрохвилі та радіохвилі діапазону надвисоких частот (НВЧ) мають довжину від 300 мм до 1 мм. Сантиметрові хвилі, подібно до дециметрових і метрових радіохвиль, практично не поглинаються атмосферою і тому широко використовуються в супутні
ковий та стільникового зв'язку та інших телекомунікаційних системах. Розмір типової супутникової тарілки дорівнює кільком довжинам таких хвиль.
Коротші НВЧ-хвилі також знаходять безліч застосувань у промисловості та в побуті. Досить згадати про мікрохвильові печі, якими сьогодні оснащені і промислові хлібопекарні та домашні кухні. Дія мікрохвильової печі заснована на швидкому обертанні електронів у пристрої, який називається клістроном. В результаті електрони випромінюють електромагнітні НВЧ-хвилі певної частоти, при якій легко поглинаються молекулами води. Коли ви поміщаєте їжу в мікрохвильову піч, молекули води, що містяться в їжі, поглинають енергію мікрохвиль, рухаються швидше і таким чином розігрівають їжу. Інакше кажучи, на відміну звичайної духовки чи печі, де їжа розігрівається зовні, мікрохвильова піч розігріває її зсередини.
Інфрачервоні промені
Ця частина електромагнітного спектру включає випромінювання із довжиною хвилі від 1 міліметра до восьми тисяч атомних діаметрів (близько 800 нм). Промені цієї частини спектру людина відчуває безпосередньо шкірою – як тепло. Якщо ви простягаєте руку в напрямку вогню або розпеченого предмета і відчуваєте жар, що походить від нього, ви сприймаєте як жар саме інфрачервоне випромінювання. У деяких тварин (наприклад, у норних гадюк) є навіть органи почуттів, що дозволяють їм визначати місцезнаходження теплокровної жертви інфрачервоного випромінювання її тіла.
Оскільки більшість об'єктів поверхні Землі випромінює енергію в інфрачервоному діапазоні хвиль, детектори інфрачервоного випромінювання грають важливу роль сучасних технологіях виявлення. Інфрачервоні очки приладів нічного бачення дозволяють людям «бачити у темряві», і з їх допомогою можна виявити не тільки людей, а й техніку, і споруди, що нагрілися за день і віддають вночі своє тепло у навколишнє середовище у вигляді інфрачервоних променів. Детектори інфрачервоних променів широко використовуються рятувальними службами, наприклад виявлення живих людей під завалами після землетрусів чи інших стихійних лих і техногенних катастроф.
Видиме світло
Як мовилося раніше, довжини електромагнітних хвиль видимого світлового діапазону коливаються не більше восьми до чотирьох тисяч атомних діаметрів (800-400 нм). Людське око є ідеальним інструментом для реєстрації та аналізу електромагнітних хвиль цього діапазону. Це зумовлено двома причинами. По-перше, як зазначалося, хвилі видимої частини спектру практично безперешкодно поширюються у прозорій їм атмосфері. По-друге, температура поверхні Сонця (близько 5000 ° С) така, що пік енергії сонячних променів припадає саме на видиму частину спектра. Таким чином, наше головне джерело енергії випромінює величезну кількість енергії саме у видимому світловому діапазоні, а навколишнє середовище значною мірою прозоре для цього випромінювання. Не дивно тому, що людське око в процесі еволюції сформувалося таким чином, щоб уловлювати та розпізнавати саме цю частину спектра електромагнітних хвиль.
Хочу ще раз наголосити, що нічого особливого з фізичної точки зору в діапазоні видимих електромагнітних променів немає. Він являє собою лише вузьку смужку в широкому спектрі хвиль, що випромінюються (див. малюнок). Для нас він настільки важливий лише доти, оскільки людський мозок оснащений інструментом для виявлення та аналізу електромагнітних хвиль саме цієї частини спектру.
Ультрафіолетові промені
До ультрафіолетових променів відносять електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від кількох тисяч до кількох атомних діаметрів (400-10 нм). У цій частині спектра випромінювання починає впливати на життєдіяльність живих організмів. М'які ультрафіолетові промені в сонячному спектрі (з довжинами хвиль, що наближаються до видимої частини спектру), наприклад, викликають у помірних дозах засмагу, а надмірних - важкі опіки. Жорсткий (короткохвильовий) ультрафіолет згубний для біологічних клітин і тому використовується, зокрема, в медицині для стерилізації хірургічних інструментів та медичного обладнання, вбиваючи всі мікроорганізми на їх поверхні.
Все живе на Землі захищене від згубного впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання озоновим шаром земної атмосфери, що поглинає більшу частину жорстких ультрафіолетових променів у спектрі сонячної радіації (див. озонова діра). Якби не цей природний щит, життя на Землі навряд чи вийшло б на сушу з вод Світового океану. Однак, незважаючи на захисний озоновий шар, якась частина жорстких ультрафіолетових променів досягає поверхні Землі і здатна викликати рак шкіри, особливо у людей, від народження схильних до блідості та погано засмагаючих на сонці.
Рентгенівське проміння
Випромінювання в діапазоні довжин хвиль від кількох атомних діаметрів до кількох сотень діаметрів атомного ядра називається рентгенівським. Рентгенівські промені проникають крізь м'які тканини організму і тому незамінні в медичному діагносі.
тиці. Як і у випадку з радіохвилями, тимчасовий розрив між їх відкриттям у 1895 році та початком практичного застосування, що ознаменувався отриманням в одній із паризьких лікарень першого рентгенівського знімку, становив лічені роки. (Цікаво відзначити, що паризькі газети того часу настільки захопилися ідеєю, що рентгенівські промені можуть проникати крізь одяг, що практично нічого не повідомляли про унікальні можливості їх застосування в медицині.)
Гамма-промені
Найкоротші за довжиною хвилі і найвищі за частотою та енергії промені в електромагнітному спектрі - це у-промені (гамма-промені). Вони складаються з фотонів надвисоких енергій і використовуються сьогодні в онкології для лікування ракових пухлин (а точніше, для умертвіння ракових клітин). Однак їх вплив на живі клітини настільки згубно, що при цьому доводиться дотримуватися крайньої обережності, щоб не завдати шкоди здоровим тканинам і органам, що оточують.
На закінчення важливо ще раз підкреслити, що, хоча всі описані типи електромагнітного випромінювання проявляють себе зовні по-різному, за своєю суттю є близнюками. Всі електромагнітні хвилі в будь-якій частині спектру являють собою поперечні коливання електричного і магнітного полів, що поширюються у вакуумі або середовищі, всі вони поширюються у вакуумі зі швидкістю світла з і відрізняються один від одного лише довжиною хвилі і, як наслідок, енергією, яку вони переносять. Залишається тільки додати, що названі мною межі діапазонів мають досить умовний характер (і в інших книгах вам, мабуть, трапляться дещо інші значення граничних довжин хвиль). Зокрема, мікрохвильові випромінювання з великими довжинами хвиль нерідко і справедливо ставляться до надвисокочастотного діапазону радіохвиль. Відсутні чіткі межі між жорстким ультрафіолетовим і м'яким рентгенівським, а також між жорстким рентгенівським і м'яким гамма-випромінюванням.
Спектроскопія
Наявність атомів хімічних елементів у речовині можна виявити за присутністю характерних ліній у спектрі випромінювання чи поглинання
СПЕКТРАЛЬНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ
Спектральні методи аналізу засновані на реєстрації спектрів випромінювання або поглинання атомів і молекул та вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання у вузькому енергетичному діапазоні. Методи спектрального аналізу поділяються на радіочастотну, оптичну, рентгенівську та ін. Види спектрометрії в залежності від того, в якій галузі електромагнітного спектра проводяться вимірювання.
Електромагнітне випромінювання може бути охарактеризовано або хвильовим, або енергетичнимпараметрами. Всі ці величини взаємопов'язані та вибір тієї чи іншої величини визначається зручностями при роботі.
Хвильовий параметр виражається довжиною хвилі l(м, см, мкм, нм або Å), частотою коливань n(з -1 чи герц, 1 Гц = 1 з -1), чи хвильовим числом uu(М-1, см-1). У деяких книгах хвильове число позначають знаком. Частота електромагнітних коливань nпов'язана з довжиною хвилі lспіввідношенням n = c/l,де з- швидкість світла у вакуумі, що дорівнює 2.997925∙10 8 м/с (приблизно 3∙10 8 м/с). У спектроскопії прийнято називати частотою також хвильове число u = 1/l, Що показує, скільки довжин хвиль уміщається на інтервалі 1 см (тобто якщо l= 10-5 м = 10-3 см, то u= 1000 см-1). Порушуючи вимоги про використання системи СІ хвильові числа вимірюють, як і раніше, у зворотних сантиметрах (см -1). 1 см ≡ 11.9631 Дж/моль.
Частота лінії спектру поглинання пов'язана з різницею енергій Δ Езбудженого та основного станів:
ΔЕ = hν = Е зб. - Е осн.,
де h- Константа Планка ( h= 6.626 · 10 -34 Дж · с).
Як випливає з наведеної вище формули кванти випромінювання з більш короткою довжиною хвилі (з більш високою частотою) мають більш високу енергію.
Рис.1. Схема квантування енергії електрона в атомарному водні (на схемі не вказані р- та d – підрівні). Енергія електрона з основним квантовим числом n= 1 відповідає основному стану атома (1 s 1). Інші стани (2s 1, 3s 1, 4s 1, ….) – збуджені. Перехід електрона зі збуджених станів 2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , … на рівень 1s 1 відповідає серії Лаймана, станів 3s 1 , 4s 1 , … на рівень 2s 1 - серії Бальмера і т.д.
Мал. 2. Спектр випромінювання атомарного водню – світлі лінії та смуги на чорному тлі. чорні лінії на білому тлі. Спектри поглинання виглядають інакше – чорні лінії та смуги (на тому самому місці) на білому тлі. білі лінії та смуги на чорному тлі. Розширення ліній пов'язано з
Спектр електромагнітного випромінювання
Екванта →
| 10 5 | 3∙10 -4 | 8∙10 -7 | 4∙10 -7 | 10 -8 | 10 -12 | l, м | |||||||||||||
| Радіочастотна область | Мікрохвильова область | Інфрачервона область | Видиме випромінювання | Ультрафіолетова область | Рентгенівське випромінювання | g - випромінюваннякосмічні промені | |||||||||||||
| Обертальний спектр | До-вр. | Електронний спектр | Зміни | Зміни | |||||||||||||||
| Зміна енергетичного стану спинів електронів (ЕПР – спектроскопія). Зміна енергетичного стану спинів ядер (ЯМР – спектроскопія) | Коливально – обертальний спектр (коливання атомів у молекулі). ІЧ - спектроскопія | Зміни в енергетичному стані зовнішніх (валентних) електронів (Спектроскопія в УФ та видимій області, КР – спектроскопія) | в енергетичному стані внутрішніх електронів атомів (Рентгеноскопія) | в енергетичному стані ядер (ядерно-фізичні методи аналізу) | |||||||||||||||
Електромагнітний спектр простягається від жорсткого g-випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі до довгих радіохвиль. Кожна з сфер спектра пов'язана з певними видами внутрішньомолекулярних рухів, процесами в атомах та ядрах. При поглинанні чи випромінюванні квантів світла змінюється енергія електронів в електронних оболонках атомів і молекул, енергія коливання атомних ядер у молекулі та енергія обертання молекули.
Усі види внутрішньомолекулярних рухів взаємопов'язані, але кожного з них існує певний набір допустимих (дозволених) значень енергії.
1.1.1 Молекулярні спектри випромінювання, поглинання та комбінаційного (див.п 1.4) розсіювання
Сучасне вчення про спектри електромагнітного випромінювання базується на квантовій теорії, згідно з якою атомна система є стійкою лише у певних стаціонарних станах, що відповідають певній дискретній послідовності значень енергії. Перехід між двома квантовими станами « 2 з енергіями Е 1 та Е 2 призводить до поглинання (абсорбції), E 1< E 2 , або випромінювання (емісії), E 1 > E 2енергії у вигляді електромагнітного випромінювання з частотою n,визначається рівнянням Бору:
DE =|E 1 - E 2|= hn,
де E 1і E 2- енергія початкового та кінцевого станів відповідно, hh- Постійна Планка, n- частота випромінювання, що поглинається або випускається. h= 6.616 10 -34 Дж∙с
Відповідно до рівняння частот Бора у спектрі виникає лінія із частотою (з -1)
n = |E 1 - E 2|/h
або з хвильовим числом (см -1)
u = |E 1 - E 2|/hc.
Переходи з нижнього енергетичного рівня верхній породжують спектр поглинання (абсорбції), з верхнього на нижній - спектр випромінювання (емісії) (рис.2).
В оптико-спектрометричних методах аналізу використовують дискретність енергетичних рівнів молекул і випромінювання або поглинання випромінювання, яке пов'язане з переходом молекули або атома з одного енергетичного рівня на інший (Рис.1). Енергію квантів світла у спектроскопії виражають у зворотних сантиметрах, враховуючи, що 1 см -1 ≡ 11.9631 Дж/моль. Найбільш високу енергію мають кванти, що виникають при електронних переходах (від 40 до 400 кДж/моль), потім слідують коливальні кванти (від 4 до 40 кДж/моль) і потім обертальні, з найменшою енергією (0.4 - 4 кДж/моль). Електронний перехід одночасно супроводжується коливальними та обертальними переходами, тобто. є електронно - коливально - обертальнийперехід. (Рис.3).
Мал. 31. Схема енергетичних рівнів двоатомної молекули: Ее – рівні енергії електронів; Е v– рівні коливальної енергії (vibration – вібрація, коливання): Е r – рівні обертальної енергії (rotation –обертання): v evr– переходи, що відповідають електронно – коливально – обертальному спектру: v v r- переходи, що відповідають коливально-обертальному спектру; v r- Переходи, що відповідають обертальному спектру. [Золотів. Основи аналітичної хімії. Книга 2. с.207]
Енергія кванта такого переходу виражається формулою
e ел.-кол.-вр = e ел + e кіль + e вр = hn ел + hn кіль + hn вр,
а частота відповідної лінії у спектрі дорівнює сумі частот (це одна лінія):
n ел.-кол.-вр = n ел + n кіль + n вр.
Для стислості електронно – коливально – обертальний спектр називають просто електроннимспектром. Він складається з безлічі серій смуг в УФ та видимій області. Кожна серія відповідає одному електронному переходу з вищих рівнів на який-небудь розташований нижче (рис.1). Енергія квантів, які збуджують такі переходи, повторимо, лежить в області 40 ÷ 400 кДж/моль. Хвильові числаЧастоти νuквантів електронного переходова лежать у діапазоні (3.3 ÷ 33.3)∙10 3 см -1 , що відповідає довжинам хвиль. lвід 0,3 до 3 мкм.
Кванти нижчої енергії в області 4 ÷ 40 кДж/моль відповідають переходам між коливальними рівнями. При цьому неминуче відбувається і зміна обертальних станів, ще нижчих за енергією, і виникає коливально-обертальнийСпектр. Енергія переходу та частота ліній у коливально-обертальному спектрі пов'язані співвідношеннями:
e кільк.-вр = e кіль + e вр = hn кіль + hn вр.
n кільк.-вр = n кіль + n вр.
При цьому коливальному переході з частотою n кільвиникає смуга, окремі лінії якої відповідають різним комбінаціям доданків у сумі nкіл + nвр. Хвильові числа uЧастоти коливальних квантів nпростягаються від 30 до 4000 см -1 ( lвід 2.5 мкм до 0.3 мм. Це далека інфрачервона область, що впритул змикається з областю міліметрових радіохвиль.
Кванти ще нижчої енергії (0.4 ÷ 4 кДж/моль) можуть викликати лише переходи між обертальними рівнями і дають початок чисто обертальномуспектру. Енергії переходу та частоти у обертовому спектрі пов'язані співвідношенням
e вр = hn вр.
Кожна лінія у такому спектрі має частоту n вр, що відповідає i-му обертального переходу. Обертальний спектр має частоти порядку 10 -1 ÷ 1 см -1 і простягається в область субміліметрових (МВ - мікрохвильова область) і сантиметрових (НВЧ - надвисокочастотна область) радіохвиль.
Форма смуг у молекулярних спектрах: а- Гладкий колокоподібний контур; б -смуга з вираженою тонкою структурою. Характеристики смуги: I max , v max , Δ v.Спектральна смуга - це сукупність близько розташованих спектральних ліній, що утворюються в результаті накладання на електронний перехід супутніх йому коливальних і обертальних переходів.
Контур спектральної смуги в молекулярних спектрах може бути гладким дзвоноподібним або виявляти тонку структуру (рис.3). Смугу без дозволеної тонкої структури прийнято характеризувати, як і спектральну лінію, трьома параметрами: частотою n max(довжиною хвилі l max); значенням максимальної інтенсивності (пікової інтенсивності) I max; шириною Δ v (Δ λ ). Ширина смуг у коливально-обертальному спектрі може досягати кількох десятків зворотних сантиметрів, а в електронному – кілька тисяч зворотних сантиметрів.
1.1.2 Порушення спектра
Енергетична дія на речовину може здійснюватися тепловим, електромагнітним, хімічним та іншими шляхами. Всі ці дії призводять до випромінювання речовиною електромагнітних випромінювань. Енергія випромінюється у вигляді лінійного спектру, що характеризується дискретними значеннями довжин хвиль. При проходженні випромінювання суцільного спектра через речовину, навпаки, відбувається поглинання енергії та утворюється спектр поглинання, що також характеризується дискретними значеннями довжин хвиль. Відношення інтенсивностей смуги, що відповідає одному й тому переходу m « n, у спектрі поглинання (абсорбції) I aта спектрі випромінювання (емісії) I eпо-різному і залежить від частоти переходу. Теорія призводить до співвідношення
тобто. інтенсивність випромінювання I eу багато разів перевищує інтенсивність поглинання I aв області високих частот. Тому спектри випромінювання зручніше вивчати вивчають у видимій та ультрафіолетовій області. В області малих частот (ІЧ- та НВЧ-області) зручніше вивчати спектри поглинання. На цих частотах, навпаки, інтенсивніше спектри абсорбції.
З іншого боку, спектри випромінювання відомі для атомів (вивчені атомні спектри) і лише порівняно невеликої кількості досить простих молекул. Тому молекулярні спектри вивчають головним чином як спектри поглинанняколи випромінювання джерела суцільного спектру (наприклад, лампи розжарювання) проходить через кювету, наповнену розчином речовини. Так як кожен структурний елемент молекули поглинає енергію тільки в характерній для нього області, то визначивши частоту і кількісно оцінивши інтенсивність випромінювання, що поглинається, можна встановити структуру сполуки (якісний аналіз) і визначити кількість досліджуваної речовини (кількісний аналіз).
Властивості електромагнітних випромінювань. Електромагнітні випромінювання з різними довжинами хвиль мають чимало відмінностей, але вони, від радіохвиль і по гамма-випромінювання, однієї фізичної природи. Всі види електромагнітного випромінювання більшою чи меншою мірою виявляють властивості інтерференції, дифракції та поляризації, характерні для хвиль. Разом про те всі види електромагнітного випромінювання більшою чи меншою мірою виявляють квантові властивості.
Спільним для всіх електромагнітних випромінювань є механізми їх виникнення: електромагнітні хвилі з будь-якою довжиною хвилі можуть виникати при прискореному русі електричних зарядів або переходах молекул, атомів або атомних ядер з одного квантового стану в інший. Гармонічні коливання електричних зарядів супроводжуються електромагнітним випромінюванням, що має частоту, що дорівнює частоті коливань зарядів.
Радіохвилі.При коливаннях, що відбуваються з частотами від 105 до 1012 Гц, виникають електромагнітні випромінювання, довжини хвиль яких лежать в інтервалі від кількох кілометрів до декількох міліметрів. Ця ділянка шкали електромагнітних випромінювань відноситься до діапазону радіохвиль. Радіохвилі застосовуються для радіозв'язку, телебачення, радіолокації.
Інфрачервоне випромінювання.Електромагнітні випромінювання із довжиною хвилі, меншою 1-2 мм, але більшою 8*10 -7 м, тобто. лежать між діапазоном радіохвиль і діапазоном видимого світла, називаються інфрачервоним випромінюванням.
Область спектра за червоним краєм вперше експериментально була досліджена в 1800г. англійським астрономом Вільямом Гершелем (1738 – 1822 рр.). Гершель помістив термометр із зачорненою кулькою за червоний край спектру та виявив підвищення температури. Кулька термометра нагрівалася випромінюванням, невидимим оком. Це випромінювання назвали інфрачервоним промінням.
Інфрачервоне випромінювання випромінюють будь-які нагріті тіла. Джерелами інфрачервоного випромінювання є печі, батареї водяного опалення, електричні лампи розжарювання.
За допомогою спеціальних приладів інфрачервоне випромінювання можна перетворити на видиме світло і отримувати зображення нагрітих предметів у повній темряві. Інфрачервоне випромінювання використовується для сушіння пофарбованих виробів, стін будівель, деревини.
Видимий світло. До видимого світла (або просто світла) відносяться випромінювання із довжиною хвилі приблизно від 8*10-7 до 4*10-7 м, від червоного до фіолетового світла.
Значення цієї ділянки спектра електромагнітних випромінювань у житті людини винятково велике, оскільки майже всі відомості про навколишній світ людина отримує з допомогою зору.
Світло є обов'язковою умовою розвитку зелених рослин і, отже, необхідною умовою існування життя Землі.
Ультрафіолетове випромінювання. В 1801 німецький фізик Йоганн Ріттер (1776 - 1810), досліджуючи спектр, відкрив, що за його фіолетовим краєм є область, створювана невидимими оком променями. Ці промені впливають деякі хімічні сполуки. Під дією цих невидимих променів відбувається розкладання хлориду срібла, свічення кристалів сульфіду цинку та деяких інших кристалів.
Невидиме оком електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше, ніж у фіолетового світла, називають ультрафіолетовим випромінюванням. До ультрафіолетового випромінювання відносять електромагнітні випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 4*10-7 до 1*10-8 м.
Ультрафіолетове випромінювання здатне вбивати хвороботворних бактерій, тому його широко застосовують у медицині. Ультрафіолетове випромінювання у складі сонячного світла викликає біологічні процеси, що призводять до потемніння шкіри людини – засмагу.
Як джерела ультрафіолетового випромінювання в медицині використовуються газорозрядні лампи. Трубки таких ламп виготовляють із кварцу, прозорого для ультрафіолетових променів; тому ці лампи називають кварцовими лампами.
Рентгенівське проміння. Якщо у вакуумній трубці між нагрітим катодом, що випускає електрон, і анодом прикласти постійну напругу в декілька десятків тисяч вольт, то електрони спочатку розганятимуться електричним полем, а потім різко гальмуватимуться в речовині анода при взаємодії з його атомами. При гальмуванні швидких електронів у речовині чи переходах електронів на внутрішніх оболонках атомів виникають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше, ніж ультрафіолетового випромінювання. Це випромінювання було відкрито 1895 року німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном (1845-1923). Електромагнітні випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 10-14 до 10-7 м називаються рентгенівськими променями.
Рентгенівські промені невидимі оком. Вони проходять без істотного поглинання через значні шари непрозорого для видимого світла речовини. Виявляють рентгенівські промені за здатністю викликати певне світіння деяких кристалів і на фотоплівку.
Здатність рентгенівського проміння проникати через товсті шари речовини використовується для діагностики захворювань внутрішніх органів людини. У техніці рентгенівські промені застосовуються контролю внутрішньої структури різних виробів, зварних швів. Рентгенівське випромінювання має сильну біологічну дію і застосовується для лікування деяких захворювань.
Гамма-випромінювання. Гамма-випромінюванням називають електромагнітне випромінювання, що випромінюється збудженими атомними ядрами і виникає при взаємодії елементарних частинок.
Гамма-випромінювання – саме короткохвильове електромагнітне випромінювання (l < 10-10 м). Його особливістю є яскраво виражені корпускулярні властивості. Тому гамма-випромінювання зазвичай розглядають як потік частинок – гамма-квантів. В області довжин хвиль від 10 -10 до 10 -14 і діапазони рентгенівського та гамма-випромінювань перекриваються, в цій області рентгенівські промені та гамма-кванти за своєю природою тотожні та відрізняються лише походженням.