Електромагнитното лъчение
Природа на електромагнитното лъчение и някои негови характеристики
Светлината е форма на съществуване на материята, която може да бъде описана чрез две взаимнодопълващи се теории: вълнова и корпускулярна; но нито една от тях не може самостоятелно да обясни всички свойства на светлината.
Съгласно представите на класическата физика светлината има две съставящи - електрическа и магнитна. Трептенията на електрическата и магнитната съставящи се извършват в две взаимно перпендикулярни равнини, а също перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната - фигура 1.
Електромагнитното лъчение може да бъде разглеждано опростено като една хармонична вълна, която се разпространява праволинейно от източника в хомогенна и изотропна среда. Най-малкият интервал от време, след който се повтарят стойностите на величините, характеризиращи вълната, се нарича период. Периодът се бележи с T и се измерва в секунди.
Броят на вълните, които минават през дадена точка за единица време, се означава с n и се нарича честота. Следователно
n = 1/T [Hz] (1)
Честотата има измерителни единици херци [Hz]; означава се още като цикли за секунда [s-1].
Разстоянието между две еквивалентни точки на хармоничната вълна се бележи с l и се нарича дължина на вълната. Дължината на вълната се измерва в метри, съответно производните на метъра: микрометър [mm], 1 mm = 1x10-6 m и нанометър [nm], 1 nm = 1x10-9 m.
В литературата се използуват и някои извънсистемни единици: микрон [m], 1 m = 1 mm = 1x10-6 m, милимикрон [mm], 1 mm = 1 nm = 1x10-9 m и ангстрьом [A], 1 A = 0.1 nm = 1x10-10 m.
При разпространение на електромагнитна вълна със скорост с тя изминава за време T път l:
l = с.Т [m] (2)
От (1) и (2) следва зависимостта:
с = l n [m s-1] (3)
Електромагнитно лъчение, състоящо се от вълни само с една определена честота, се нарича монохроматично, в противен случай то е полихроматично. Когато монохроматична вълна преминава от вакуум в някоя среда нейната скорост, съответно дължина на вълната, се променят така, че честотата остава постоянна. В този смисъл честота е независима характеристика на електромагнитното лъчение.
Зависимостта на скоростта на светлината и дължината на вълната от показателя на пречупване на средата n се дава с израза:
[m]
(4)
n = 1 за вакуум и е по-голям от единица за всяка друга среда. За въздух n = 1.0003.
Вълновото число `n се дефинира като реципрочна стойност на дължината на вълната и представлява брой цели дължини на вълната, съдържащи се в единица дължина по посока на разпространение на електромагнитното лъчение. Измерва се в [см-1] и се изговаря “обратен сантиметър”:
`n = 1 / l [см-1] (5)
Вълновото число е пропорционално на честотата, като коефициентът за пропорционалност между тях е обратната стойност на скоростта на светлината в съответната среда:
`n = n / c [см-1] (6)
Ето защо и двете величини могат да се използуват като характеристики на лъчението.
Пресмятането на вълновото число [см-1] на вълна с определена дължина, дадена в [nm], например 200 [nm], l = 200x10-9 [m], става съгласно (5).
`n = 1 / l
= 1 / (200x10-9 [m]) = 5x106 [м-1] =
= 5x104 [см-1]
= 50 000 [см-1]
Пресмятането на l в [nm] или [mm] за лъчение с дадено вълново числo [cm-1], например 1 000 [cm-1], се извършва по аналогичен начин:
l = 1 / `n
= 1 / (1000 [cm-1]) = 1x10-3 [cm] =
= 1x10-5
[m]
= 10 [mm]
= 1x104 [nm]
Честотата на електромагнитно лъчение n [Hz] за дадена дължина на вълната l = 800 [nm] във вакуум (c = 3x108 m s-1 = 3x1010 cm.s-1 се изчислява съгласно (3):
n = с
/ l
= 3x108 m.s-1 / 8x102x10-9
m =
= 0.375x108-2+9 s-1
= 3.75x1014 [Hz]
При дадена стойност на честотата n [Hz], може да се пресметне вълновото число `n (или обратно), чрез използуване на (6). Например, честотата n [Hz] на трептене с `n = 1700 [cm-1], съгласно (1.6) e:
n = `n *
c = 3x1010 cm s-1 * 1.7x103 [cm-1]
=
= 5.1x103 s-1
= 5.1x1013 Hz
Съгласно квантово-механичните разглеждания, електромагнитната вълна се разпространява във вид на частици, корпускули, наречени още фотони. Енергията на фотона E е пропорционална на неговата честота, съгласно зависимостта:
E = hn [J] (7)
или
E = h c`n [J], (8)
където h е константата на Планк; h = 6.63x10-34 [J s]. В (8) енергията на фотона е представена чрез вълновото число.
Енергията на квант с l = 200 [nm], т.е. `n = 5x104 [cm-1], във вакуум, се пресмята съгласно (8):
Е = 6.63x10-34 [J s]
*.3x1010 [cm.s-1] * 5x104
[cm-1]
=
= 9.95.10-19 [J]
Освен в Джаули, енергията на фотона се изразява още и чрез несистемните единици електронволт [eV], а в химията понякога все още в [cal mol-1]. Връзката между единицата [J] и единиците [eV], [cm-1] и [cal.mol-1] се дава чрез зависимостите:
1 [J] = 6.25x1018 [eV]
1 [J] = 0.239 [cal]
1 [eV]= 1.60201x10-19
[J] = 1.60201x10-12 [ерга]
1 [eV] е свързан с l
=1.2395
[mm]=
8068 [cm-1]
1 [cm-1] = 12 [J mol-1]
При разглеждане на електромагнитното лъчение като корпускулярен процес, неговият интензитет се дефинира като брой фотони с определена честота, преминали през единица повърхност за единица време. Ако в първоначалното състояние има Ni на брой частици и ако Bij e вероятността за извършване на абсорбционен преход от ниво i до ниво j, (вж. още уравнение.3) то интензитетът на съответната абсорбционна спектрална ивица Iij(аб)се дава с израза:
Iij(аб) = Ni hnijBij, (9)
Интензитетът на една емисионна спектрална линия Iij(ем)се определя от израза:
Iij(ем) = Ni hnijAij, (10)
където Aij е вероятността за извършване на емисионен преход. Когато в последните две уравнения вместо честотата се използува вълновото число`n, съгласно (6) десните части на (9) и (10) се умножават със скоростта на светлината във вакуум, с.
Литература
1. Г. Андреев. Молекулна спектроскопия, Изд. ПУ “П. Хилендарски”, Пловдив, 1999.
Автор: Проф. дхн Георги Андреев