Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром.
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Непрерывный спектр представлет собой сплошную разноцветную полосу.
Белый свет имеет непрерывный спектр. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр. Они делятся на:
Линейчатый спектр состоит изотдельных цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами.
Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На рисунке приведены также спектры водорода и гелия. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Это будет спектр поглощения.
Спектр поглощения представляет собой темные линии на фоне непрерывного спектра источника.
Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры поглощения.
Различные виды электромагнитных излучений, их свойства и практические применения.
Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны
Низкочастотные колебения.
Постоянный ток – частота ν = 0 – 10 Гц.
Атмосферные помехи и переменный ток – частота ν = 10 – 104 Гц
Частота ν =104 – 1011 Гц
Длина волны λ = 10-3 – 103 м
Получают с помощью колебательных контуров.
Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.
Радиосвязь, телевидение, радиолокация.
Инфракрасное излучение.
Частота ν =3·1011 – 4·1014 Гц
Длина волны λ = 8·10-7 – 2·10-3 м
Излучаются атомами и молекулами вещества.
Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны λ ≈ 9·10-6 м.
- Проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь снег, дождь, дымку.
- Производит химическое действие на фотопластинки.
- Поглощаясь веществом, нагревает его.
- Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
- Невидимо.
- Способно к явлениям интерференции и дифракции.
- Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.
Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения, в тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии,. в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.
Видимое излучение.
Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового).
Частота ν =4·1014 – 8·1014 Гц
Длина волны λ = 8·10-7 – 4·10-7 м
Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.
Ультрафиолетовое излучение.
Частота ν =8·1014 – 3·1015 Гц
Длина волны λ =·10-8 – 4·10-7 м (но меньше, чем у фиолетового света)
Излучается всеми твердыми телами, у которых t > 1000°С, а также светящимися парами ртути.
- Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка).
- Невидимо.
- Большая проникающая способность.
- Убивает микроорганизмы.
- В небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменение в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.
В медицине, в косметологии (солярий, загар), в промышленности.
Рентгеновские лучи.
Частота ν =3·1015 – 3·1019 Гц
Длина волны λ =·10-11 – 4·10-8 м
Излучаются при резком торможении электронов, движущихся с большим ускорением.
Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 нм).
- Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке.
- Большая проникающая способность.
- Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь.
В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).
Гамма – излучение (γ – излучение).
Частота ν =3·1020 Гц и выше
Длина волны λ =3,3·10-11 м
- Имеет огромную проникающую способность.
- Оказывает сильное биологическое воздействие.
В медицине, в производстве (γ – дефектоскопия).
Длина волны — частота — энергия фотонаПравить
Центральная теория спектроскопии заключается в том, что свет состоит из различных длин волн и что каждая длина волны соответствует различной частоте. Важность спектроскопии заключается в том, что каждый элемент в периодической таблице имеет уникальный световой спектр, описываемый частотами света, который он излучает или поглощает, последовательно появляясь в одной и той же части электромагнитного спектра при дифракции света. Это открыло целую область для изучения всего, что содержит атомы, то есть всей материи. Спектроскопия — это ключ к пониманию атомных свойств всей материи. Спектроскопия как таковая открыла множество новых, еще не открытых областей науки. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную подпись, позволила использовать спектроскопию в широком спектре областей, каждая из которых преследует конкретную цель, достигаемую с помощью различных спектроскопических процедур. Эти уникальные спектральные линии для каждого элемента настолько важны для многих отраслей науки, что правительство ведет общедоступную базу данных атомных спектров, которая постоянно пополняется более точными измерениями на сайте NIST.
Расширение области спектроскопии связано с тем, что для анализа образца может быть использована любая часть электромагнитного спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового, что сообщает ученым различные свойства одного и того же образца. Например, в химическом анализе наиболее распространенными видами спектроскопии являются атомная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, ультрафиолетовая и видимая спектроскопия, спектроскопия Рамана и ядерный магнитный резонанс. В ядерном магнитном резонансе теория заключается в том, что частота аналогична резонансу и соответствующей ему резонансной частоте. Резонансы по частоте были впервые охарактеризованы в механических системах, таких как маятники, которые имеют частоту движения, отмеченную знаменитым Галилеем.
Классификация методов
Спектроскопия является достаточно широкой областью, в которой существует множество поддисциплин, каждая из которых имеет многочисленные реализации конкретных спектроскопических методов. Различные реализации и техники могут быть классифицированы несколькими способами.
Тип излучаемой энергии
Виды спектроскопии различаются по типу излучаемой энергии, участвующей во взаимодействии. Во многих приложениях спектр определяется путем измерения изменений в интенсивности или частоте этой энергии. К изучаемым типам излучаемой энергии относятся:
Электромагнитное излучение было первым источником энергии, используемым для спектроскопических исследований. Методы, использующие электромагнитное излучение, обычно классифицируются по области длин волн спектра и включают микроволновую, терагерцовую, инфракрасную, ближнюю инфракрасную, ультрафиолетово-видимую, рентгеновскую и гамма-спектроскопию.
Частицы, благодаря своим волнам де Бройля, также могут быть источником лучистой энергии. Обычно используется электронная и нейтронная спектроскопия. Для частицы ее кинетическая энергия определяет длину волны.
В акустической спектроскопии используются излучаемые волны давления.
Динамический механический анализ может быть использован для придания твердым материалам энергии излучения, подобной акустическим волнам.
Характер взаимодействия
Типы спектроскопии также можно различать по характеру взаимодействия между энергией и материалом. К таким взаимодействиям относятся:
Абсорбционная спектроскопия: Поглощение происходит, когда энергия от источника излучения поглощается материалом. Поглощение часто определяется путем измерения доли энергии, проходящей через материал, при этом поглощение уменьшает проходящую часть.
Эмиссионная спектроскопия: Эмиссия указывает на то, что излучаемая энергия высвобождается материалом. Спектр черного тела материала — это спектр спонтанного излучения, определяемый его температурой. Эта характеристика может быть измерена в инфракрасном диапазоне такими приборами, как атмосферный интерферометр излучения. Эмиссия также может быть вызвана другими источниками энергии, такими как пламя, искры, электрическая дуга или электромагнитное излучение в случае флуоресценции.
Упругое рассеяние и спектроскопия отражения определяют, как падающее излучение отражается или рассеивается материалом. Кристаллография использует рассеяние высокоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи и электроны, для изучения расположения атомов в белках и твердых кристаллах.
Импедансная спектроскопия: Импеданс — это способность среды препятствовать или замедлять передачу энергии. Для оптических приложений это характеризуется показателем преломления.
Явления неупругого рассеяния подразумевают обмен энергией между излучением и веществом, который смещает длину волны рассеянного излучения. К ним относятся рамановское и комптоновское рассеяние.
Когерентная или резонансная спектроскопия — это методы, в которых энергия излучения связывает два квантовых состояния материала в когерентном взаимодействии, которое поддерживается излучающим полем. Когерентность может быть нарушена другими взаимодействиями, такими как столкновения частиц и перенос энергии, поэтому для ее поддержания часто требуется излучение высокой интенсивности. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является широко используемым резонансным методом, также возможна сверхбыстрая лазерная спектроскопия в инфракрасной и видимой областях спектра.
Ядерная спектроскопия — это методы, использующие свойства конкретных ядер для исследования локальной структуры в веществе, главным образом в конденсированном веществе, молекулах в жидкостях или замороженных жидкостях и биомолекулах.
Тип материала
Спектроскопические исследования построены таким образом, что лучистая энергия взаимодействует с определенными типами материи.
Атомы
Атомная спектроскопия была первым разработанным применением спектроскопии. Атомная абсорбционная спектроскопия и атомная эмиссионная спектроскопия используют видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и испускания, часто называемые атомными спектральными линиями, обусловлены электронными переходами электронов внешней оболочки, когда они поднимаются и опускаются с одной электронной орбиты на другую. Атомы также имеют различные рентгеновские спектры, которые обусловлены возбуждением электронов внутренней оболочки в возбужденные состояния.
Атомы различных элементов имеют различные спектры, поэтому атомная спектроскопия позволяет идентифицировать и количественно определять элементный состав образца. После изобретения спектроскопа Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли новые элементы, наблюдая их эмиссионные спектры. Атомные линии поглощения наблюдаются в солнечном спектре и называются линиями Фраунгофера в честь их первооткрывателя. Всестороннее объяснение спектра водорода стало ранним успехом квантовой механики и объяснило наблюдаемый в спектре водорода сдвиг Лэмба, что в дальнейшем привело к развитию квантовой электродинамики.
Современные реализации атомной спектроскопии для изучения видимых и ультрафиолетовых переходов включают эмиссионную спектроскопию пламени, атомную эмиссионную спектроскопию индуктивно связанной плазмы, спектроскопию тлеющего разряда, спектроскопию плазмы, индуцированной микроволнами, и эмиссионную спектроскопию искры или дуги. Методы изучения рентгеновских спектров включают рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую флуоресценцию.
Молекулы
Объединение атомов в молекулы приводит к созданию уникальных типов энергетических состояний и, следовательно, уникальных спектров переходов между этими состояниями. Молекулярные спектры могут быть получены благодаря электронным спиновым состояниям (электронный парамагнитный резонанс), молекулярным вращениям, молекулярным вибрациям и электронным состояниям. Вращения являются коллективными движениями атомных ядер и обычно приводят к спектрам в микроволновой и миллиметроволновой областях спектра. Вращательная спектроскопия и микроволновая спектроскопия являются синонимами. Колебания — это относительные движения атомных ядер, которые изучаются с помощью инфракрасной и рамановской спектроскопии. Электронные возбуждения изучаются с помощью видимой и ультрафиолетовой спектроскопии, а также флуоресцентной спектроскопии.
Исследования в области молекулярной спектроскопии привели к созданию первого мазера и способствовали последующему развитию лазера.
Кристаллы и протяженные материалы
Объединение атомов или молекул в кристаллы или другие протяженные формы приводит к созданию дополнительных энергетических состояний. Эти состояния многочисленны и поэтому имеют высокую плотность состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры слабее и менее отчетливыми, т. более широкими. Например, излучение черного тела обусловлено тепловыми движениями атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические отклики также обусловлены коллективными движениями. Чистые кристаллы, однако, могут иметь отчетливые спектральные переходы, и расположение кристаллов также влияет на наблюдаемые молекулярные спектры. Регулярная решетчатая структура кристаллов также рассеивает рентгеновские лучи, электроны и нейтроны, что позволяет проводить кристаллографические исследования.
Ядра
Ядра также имеют различные энергетические состояния, которые широко разделены и приводят к спектрам гамма-излучения. Различные состояния ядерного спина могут разделяться по энергии магнитным полем, что позволяет проводить спектроскопию ядерного магнитного резонанса.
Применение спектроскопии
Существует несколько областей применения спектроскопии в медицине, физике, химии и астрономии. Используя свойства поглощения, а в астрономии — испускания, спектроскопия может быть использована для определения определенных состояний природы. Использование спектроскопии в столь разных областях и для столь разных применений привело к появлению специальных научных подполей. К таким примерам относятся:
Ограничения длины волны
Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.
Формула содержит постоянную Планка – h=6,62·10-34 Дж·c, а h=h2π=1,05·10-34 Дж·с – это постоянная Планка с чертой.
Из формулы можно сделать вывод о невозможности существования бесконечной частоты, поскольку квантов с бесконечной величиной энергии не бывает. Также данное выражение ограничивает и низкие частоты, поскольку энергия кванта имеет минимально возможное значение W0, следовательно, существует и минимальная частота, ниже которой волна иметь не может.
Шкала электромагнитных волн
На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:
Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.
В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.
Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.
Специфика различных видов электромагнитных волн
Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.
Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.
Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.
В 1800 г. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).
Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.
Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10-10-10-14 м.
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.
Свет — это электромагнитные волны и не только
Электромагнитное излучение — один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, — все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.
Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны — это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение — это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн — колеблющееся магнитное поле; другой — колеблющееся электрическое поле.
Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y — амплитуда, а ось X — расстояние в пространстве.
Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.
Электромагнитный спектр световых волн
Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.
Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны — самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.
Как мы видим, видимый спектр, то есть свет, который мы можем видеть своими глазами, составляет лишь небольшую часть различных типов излучения, которые существуют. Справа от видимого спектра мы находим типы энергии, которые имеют более низкую частоту (и, следовательно, большую длину волны), чем видимый свет. Эти типы энергии включают инфракрасные (ИК) лучи (тепловые волны, излучаемые тепловыми телами), микроволны и радиоволны. Эти типы излучения постоянно окружают нас и не являются вредными, потому что их частота очень мала. Как мы увидим в разделе «фотон», более низкочастотные волны имеют меньшую энергию и, следовательно, не опасны для нашего здоровья.
Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.
Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.
Двойственная природа света, история в деталях
Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела — тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.
Двумерное представление волны. Амплитуда — это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны — это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.
Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.
Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.
Планк обнаружил, что электромагнитное излучение, испускаемое черными телами, нельзя объяснить классической физикой, которая постулировала, что материя может поглощать или излучать любое количество электромагнитного излучения. Планк заметил, что вещество фактически поглощает или излучает энергию только в целых числах. Это было шокирующее открытие, потому что оно поставило под сомнение идею о том, что энергия непрерывна и может передаваться в любом количестве. Реальность, которую обнаружил Планк, заключается в том, что энергия не является непрерывной, а квантованной, что означает, что она может передаваться только отдельными «пакетами» (или частицами). Каждый из этих энергетических пакетов известен как квант (множественное число: кванты).
Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.
Фотон
Открытия Планка проложили путь к открытию фотона. Фотон — это элементарная частица или квант света. Как мы скоро увидим, фотоны могут поглощаться или испускаться атомами и молекулами. Когда фотон поглощается, его энергия передается этому атому или молекуле. Поскольку энергия квантуется, передается вся энергия фотона (помните, что мы не можем передавать доли квантов, которые являются наименьшими возможными отдельными «энергетическими пакетами»). Верно и обратное этому процессу. Когда атом или молекула теряют энергию, они испускают фотон, который несет энергию, точно равную потерям энергии атома или молекулы. Это изменение энергии прямо пропорционально частоте испускаемого или поглощаемого фотона.
2: Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр состоит из всех типов электромагнитного излучения, расположенных в соответствии с их частотой и длиной волны. Каждый из цветов видимого света имеет определенные частоты и длины волн, связанные с ними, и вы можете видеть, что видимый свет составляет лишь малую часть электромагнитного спектра. Поскольку технологии, разработанные для работы в различных частях электромагнитного спектра, отличаются из соображений удобства или по историческим причинам, для различных частей спектра обычно используются разные единицы. Например, радиоволны обычно указываются как частоты (обычно в МГц), тогда как видимая область обычно указывается в длинах волн (обычно в единицах нм или ангстремы).
Рис. 1: Части электромагнитного спектра показаны в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны.
К типам электромагнитных волн относятся радиоволны, микроволны, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, рентгеновское излучение и гамма-излучение.
Радиоволны имеют самые длинные длины волн, самые низкие частоты и обладают наименьшим количеством энергии. Они используются в сотовых телефонах, радио- и телевещании, управлении воздушным движением и т.
Микроволны имеют более короткие длины волн по сравнению с радиоволнами. Они поглощаются водой и используются для нагрева и приготовления пищи.
Далее идет инфракрасное излучение, излучаемое теплыми объектами. Например, Земля поглощает лучистую энергию от солнца и излучает инфракрасное излучение. Часть инфракрасного излучения поглощается и повторно испускается атмосферой для поддержания средней температуры Земли через парниковый эффект. Очки ночного видения распознают инфракрасные излучения, излучаемыми нашими телами.
Видимый свет — это лишь небольшая часть электромагнитных излучений, от 740 до 390 нм. Глаза человека могут видеть только этот небольшой диапазон длин волн. Видимый свет в основном состоит из семи цветовых компонентов, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.
Ультрафиолетовое излучение имеет длину волны от 400 до 10 нм. Солнечный свет является наиболее известным источником ультрафиолетового излучения. Он обладает достаточной энергией, которая при чрезмерном воздействии вызывает ожоги.
Рентгеновское излучение может проходить через многие вещества, что делает его важным инструментом визуализации. Стоматологи используют рентгеновские снимки для диагностики, а служба безопасности аэропорта использует их для визуализации компонентов в чемодане.
Гамма-лучи имеют меньшие длины волн, высокие частоты и энергии. Гамма-лучи высвобождаются в результате ядерных реакций и естественных радиоактивных элементов.
Рентгеновские лучи и гамма-лучи являются наиболее энергетическими формами электромагнитного излучения. Их высокие энергии могут ионизировать атомы и молекулы. Ионизирующее излучение может вызвать постоянные изменения или повреждения биологических молекул. Они используются для уничтожения раковых клеток.
Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд. , раздел 6. 1: Электромагнитная энергия.
