Электромагнитное излучение

Видимый свет, радиоволны, мягкое инфракрасное (тепловое) и жесткое рентгеновское излучение, g-лучи - все это электромагнитные волны. В соответствии с волновой теорией они представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания напряженности электрического (E) и магнитного (H) полей. Излучение, направленное, например, вдоль оси z лабораторной системы координат, состоит из электрического и магнитного полей, векторы напряженности которых перпендикулярны друг другу и оси z. На рис. 1 модель такой волны представлена простейшим случаем плоскополяризованного электромагнитного излучения.

Рис.1 Графическое представление линейно поляризованной электромагнитной волны

Линейно поляризованное излучение выбрано для простоты и наглядности. В нем все другие компоненты электрического поля, за исключением лежащих в плоскости xz, и магнитного поля, за исключением лежащих в плоскости xy, отсутствуют. Волна распространяется в вакууме вдоль оси z со скоростью света (с = 3·10⁸ м/с). Интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды волны, которая отображается проекциями вектора напряженности электрического поля на оси х и у. В любой момент времени в различных точках оси z волна имеет различные напряженности электрического и магнитного полей, фазы которых изменяются симбатно.

Любая электромагнитная волна характеризуется четырьмя параметрами: направлением (S), длиной волны (λ), амплитудой (Е0) и начальной фазой (φ) (см. рис. 1.2).

Рис. 2 Основные параметры электромагнитной волны.

Синусоидальная волна – это волна, амплитуда которой изменяется по синусоидальному закону. Например, изменение величины вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны описывается во времени функцией:

E = E₀sin(ωt - kx - φ)

где Φ = (ωt - kx - φ) – начальная фаза колебания (фаза волны).

Когерентные волны. Две волны являются когерентными, если разность их фаз постоянна во времени. Волны одной частоты когерентны всегда.

Интерференция волн - это наложение когерентных волн, при котором наблюдается устойчивое во времени взаимное усиление в одних точках пространства и ослабления в других точках в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Результат интерференции двух волн в конкретной точке пространства зависит от разности хода волн.

Дифракция волн - это совокупность обусловленных волновой природой электромагнитного излучения явлений, которые наблюдаются при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью (например, при прохождении через отверстия в экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.д). В более узком смысле, дифракция - это огибание волной встречных препятствий. В опыте дифракция проявляется интерференцией лучей, распространяющихся от различных точек препятствия.

Излучение, в котором содержится электромагнитная волна одной длины (частоты), называется монохроматическим. Полихроматическое излучение (волновой пакет) можно разделить на монохроматические пучки. В случае видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучений для этой цели используют призмы и дифракционные решетки.

В квантовой механике электромагнитное излучение представляется состоящим из энергетических пакетов (квантов, фотонов), которые движутся со скоростью света. Различные виды излучения характеризуются различной энергией.

Для того чтобы происходило поглощение электромагнитной волны веществом (атомами, молекулами) величина кванта энергии этой волны должна быть равной или большей разности энергий двух уровней (ΔЕ), соответствующих различным состояниям молекулы. Необходимая длина волны (λ) или частота (ν) такого излучения определяются соотношением Бора-Планка:

∆E = hc/λ = hν,

где h—постоянная Планка (6,623·10-34 Дж·с/моль).

Это уравнение связывает между собой волновую и корпускулярную природу электромагнитного излучения. При поглощении одного кванта энергии hν молекула переходит в состояние с более высокой энергией. Виды электромагнитного излучения (т.е. излучение с различной λ) отличаются по энергии. Поэтому различные виды спектральных приборов (спектрофотометров) предназначены для измерения энергии перехода между различными состояниями (электронными, колебательными, вращательными) молекулы.

Дата добавления: 2015-07-02