Материал из Википедии - свободной энциклопедии

К:Википедия:Страницы на КУЛ (тип: не указан)

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). Длительное время считалось, что создание зеркал и линз для γ-лучей невозможно, однако, согласно последним исследованиям в данной области, преломление γ-лучей возможно. Это открытие, возможно, означает создание нового раздела оптики - γ-оптики .

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 .

См. также

Напишите отзыв о статье "Электромагнитный спектр"

Примечания

Электромагнитный спектр Видимый спектр Микроволны Радиоволны Длины волн

Отрывок, характеризующий Электромагнитный спектр

– Однако Михаил Иларионович, я думаю, вышел, – сказал князь Андрей. – Желаю счастия и успеха, господа, – прибавил он и вышел, пожав руки Долгорукову и Бибилину.
Возвращаясь домой, князь Андрей не мог удержаться, чтобы не спросить молчаливо сидевшего подле него Кутузова, о том, что он думает о завтрашнем сражении?
Кутузов строго посмотрел на своего адъютанта и, помолчав, ответил:
– Я думаю, что сражение будет проиграно, и я так сказал графу Толстому и просил его передать это государю. Что же, ты думаешь, он мне ответил? Eh, mon cher general, je me mele de riz et des et cotelettes, melez vous des affaires de la guerre. [И, любезный генерал! Я занят рисом и котлетами, а вы занимайтесь военными делами.] Да… Вот что мне отвечали!

В 10 м часу вечера Вейротер с своими планами переехал на квартиру Кутузова, где и был назначен военный совет. Все начальники колонн были потребованы к главнокомандующему, и, за исключением князя Багратиона, который отказался приехать, все явились к назначенному часу.
Вейротер, бывший полным распорядителем предполагаемого сражения, представлял своею оживленностью и торопливостью резкую противоположность с недовольным и сонным Кутузовым, неохотно игравшим роль председателя и руководителя военного совета. Вейротер, очевидно, чувствовал себя во главе.движения, которое стало уже неудержимо. Он был, как запряженная лошадь, разбежавшаяся с возом под гору. Он ли вез, или его гнало, он не знал; но он несся во всю возможную быстроту, не имея времени уже обсуждать того, к чему поведет это движение. Вейротер в этот вечер был два раза для личного осмотра в цепи неприятеля и два раза у государей, русского и австрийского, для доклада и объяснений, и в своей канцелярии, где он диктовал немецкую диспозицию. Он, измученный, приехал теперь к Кутузову.
Он, видимо, так был занят, что забывал даже быть почтительным с главнокомандующим: он перебивал его, говорил быстро, неясно, не глядя в лицо собеседника, не отвечая на деланные ему вопросы, был испачкан грязью и имел вид жалкий, измученный, растерянный и вместе с тем самонадеянный и гордый.
Кутузов занимал небольшой дворянский замок около Остралиц. В большой гостиной, сделавшейся кабинетом главнокомандующего, собрались: сам Кутузов, Вейротер и члены военного совета. Они пили чай. Ожидали только князя Багратиона, чтобы приступить к военному совету. В 8 м часу приехал ординарец Багратиона с известием, что князь быть не может. Князь Андрей пришел доложить о том главнокомандующему и, пользуясь прежде данным ему Кутузовым позволением присутствовать при совете, остался в комнате.
– Так как князь Багратион не будет, то мы можем начинать, – сказал Вейротер, поспешно вставая с своего места и приближаясь к столу, на котором была разложена огромная карта окрестностей Брюнна.
Кутузов в расстегнутом мундире, из которого, как бы освободившись, выплыла на воротник его жирная шея, сидел в вольтеровском кресле, положив симметрично пухлые старческие руки на подлокотники, и почти спал. На звук голоса Вейротера он с усилием открыл единственный глаз.
– Да, да, пожалуйста, а то поздно, – проговорил он и, кивнув головой, опустил ее и опять закрыл глаза.
Ежели первое время члены совета думали, что Кутузов притворялся спящим, то звуки, которые он издавал носом во время последующего чтения, доказывали, что в эту минуту для главнокомандующего дело шло о гораздо важнейшем, чем о желании выказать свое презрение к диспозиции или к чему бы то ни было: дело шло для него о неудержимом удовлетворении человеческой потребности – .сна. Он действительно спал. Вейротер с движением человека, слишком занятого для того, чтобы терять хоть одну минуту времени, взглянул на Кутузова и, убедившись, что он спит, взял бумагу и громким однообразным тоном начал читать диспозицию будущего сражения под заглавием, которое он тоже прочел:
«Диспозиция к атаке неприятельской позиции позади Кобельница и Сокольница, 20 ноября 1805 года».
Диспозиция была очень сложная и трудная. В оригинальной диспозиции значилось:
Da der Feind mit seinerien linken Fluegel an die mit Wald bedeckten Berge lehnt und sich mit seinerien rechten Fluegel laengs Kobeinitz und Sokolienitz hinter die dort befindIichen Teiche zieht, wir im Gegentheil mit unserem linken Fluegel seinen rechten sehr debordiren, so ist es vortheilhaft letzteren Fluegel des Feindes zu attakiren, besondere wenn wir die Doerfer Sokolienitz und Kobelienitz im Besitze haben, wodurch wir dem Feind zugleich in die Flanke fallen und ihn auf der Flaeche zwischen Schlapanitz und dem Thuerassa Walde verfolgen koennen, indem wir dem Defileen von Schlapanitz und Bellowitz ausweichen, welche die feindliche Front decken. Zu dieserien Endzwecke ist es noethig… Die erste Kolonne Marieschirt… die zweite Kolonne Marieschirt… die dritte Kolonne Marieschirt… [Так как неприятель опирается левым крылом своим на покрытые лесом горы, а правым крылом тянется вдоль Кобельница и Сокольница позади находящихся там прудов, а мы, напротив, превосходим нашим левым крылом его правое, то выгодно нам атаковать сие последнее неприятельское крыло, особливо если мы займем деревни Сокольниц и Кобельниц, будучи поставлены в возможность нападать на фланг неприятеля и преследовать его в равнине между Шлапаницем и лесом Тюрасским, избегая вместе с тем дефилеи между Шлапаницем и Беловицем, которою прикрыт неприятельский фронт. Для этой цели необходимо… Первая колонна марширует… вторая колонна марширует… третья колонна марширует…] и т. д., читал Вейротер. Генералы, казалось, неохотно слушали трудную диспозицию. Белокурый высокий генерал Буксгевден стоял, прислонившись спиною к стене, и, остановив свои глаза на горевшей свече, казалось, не слушал и даже не хотел, чтобы думали, что он слушает. Прямо против Вейротера, устремив на него свои блестящие открытые глаза, в воинственной позе, оперев руки с вытянутыми наружу локтями на колени, сидел румяный Милорадович с приподнятыми усами и плечами. Он упорно молчал, глядя в лицо Вейротера, и спускал с него глаза только в то время, когда австрийский начальник штаба замолкал. В это время Милорадович значительно оглядывался на других генералов. Но по значению этого значительного взгляда нельзя было понять, был ли он согласен или несогласен, доволен или недоволен диспозицией. Ближе всех к Вейротеру сидел граф Ланжерон и с тонкой улыбкой южного французского лица, не покидавшей его во всё время чтения, глядел на свои тонкие пальцы, быстро перевертывавшие за углы золотую табакерку с портретом. В середине одного из длиннейших периодов он остановил вращательное движение табакерки, поднял голову и с неприятною учтивостью на самых концах тонких губ перебил Вейротера и хотел сказать что то; но австрийский генерал, не прерывая чтения, сердито нахмурился и замахал локтями, как бы говоря: потом, потом вы мне скажете свои мысли, теперь извольте смотреть на карту и слушать. Ланжерон поднял глаза кверху с выражением недоумения, оглянулся на Милорадовича, как бы ища объяснения, но, встретив значительный, ничего не значущий взгляд Милорадовича, грустно опустил глаза и опять принялся вертеть табакерку.
– Une lecon de geographie, [Урок из географии,] – проговорил он как бы про себя, но довольно громко, чтобы его слышали.
Пржебышевский с почтительной, но достойной учтивостью пригнул рукой ухо к Вейротеру, имея вид человека, поглощенного вниманием. Маленький ростом Дохтуров сидел прямо против Вейротера с старательным и скромным видом и, нагнувшись над разложенною картой, добросовестно изучал диспозиции и неизвестную ему местность. Он несколько раз просил Вейротера повторять нехорошо расслышанные им слова и трудные наименования деревень. Вейротер исполнял его желание, и Дохтуров записывал.
Когда чтение, продолжавшееся более часу, было кончено, Ланжерон, опять остановив табакерку и не глядя на Вейротера и ни на кого особенно, начал говорить о том, как трудно было исполнить такую диспозицию, где положение неприятеля предполагается известным, тогда как положение это может быть нам неизвестно, так как неприятель находится в движении. Возражения Ланжерона были основательны, но было очевидно, что цель этих возражений состояла преимущественно в желании дать почувствовать генералу Вейротеру, столь самоуверенно, как школьникам ученикам, читавшему свою диспозицию, что он имел дело не с одними дураками, а с людьми, которые могли и его поучить в военном деле. Когда замолк однообразный звук голоса Вейротера, Кутузов открыл глава, как мельник, который просыпается при перерыве усыпительного звука мельничных колес, прислушался к тому, что говорил Ланжерон, и, как будто говоря: «а вы всё еще про эти глупости!» поспешно закрыл глаза и еще ниже опустил голову.
Стараясь как можно язвительнее оскорбить Вейротера в его авторском военном самолюбии, Ланжерон доказывал, что Бонапарте легко может атаковать, вместо того, чтобы быть атакованным, и вследствие того сделать всю эту диспозицию совершенно бесполезною. Вейротер на все возражения отвечал твердой презрительной улыбкой, очевидно вперед приготовленной для всякого возражения, независимо от того, что бы ему ни говорили.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ (ЭМП) И ИЗЛУЧЕНИЯ

Спектр электромагнитных излучений

Земля с момента начала своего существования подвергалась воздействию электромагнитного излучения Солнца и Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере и атмосфере Земли, влияющие самым непосредственным образом на живые организмы биосферы и среду обитания.

В процессе эволюции живые организмы адаптировались к естественному фону ЭМП. Однако вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли в настоящее время не только увеличивается, но и претерпевает качественные изменения. Появились электромагнитные излучения таких длин волн, которые имеют искусственное происхождение в результате техногенной деятельности.

К основным источникам ЭМП антропогенного происхождения относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные ЛЭП промышленной частоты, термические цеха, плазменные, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы.

Спектральная интенсивность некоторых техногенных источников ЭМП может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона, к которому привык человек и другие живые организмы.

Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного.

Характерная особенность электрического поля состоит в том, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда.

Характерная особенность магнитного поля (МП) в том, что оно действует на движущиеся электрические заряды с силами, пропорциональными скоростям зарядов и направленными перпендикулярно этим скоростям.

Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т. е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света в вакууме.

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычно широким: от нескольких тысяч метров до -12 см.

В настоящее время известно, что радиоволны, свет, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, рентгеновские лучи и - излучения - все это волны одной электромагнитной природы, отличающиеся длиной волны. Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Шкала электромагнитных излучений представлена на рис. 7.1.

№ 1 - 11 - поддиапазоны, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР). По решению этого комитета поддиапазоны 5 - 11 относятся к радиоволнам. По регламенту МККР к СВЧ-диапазону отнесены волны с частотами ГГц. Однако исторически сложилось под СВЧ-диапазоном понимать колебания с длиной волны от 1 м до 1 мм. Поддиапазоны № 1 - 4 характеризуют электромагнитные поля промышленных частот.

Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн приблизительно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового. Видимый диапазон составляет небольшую часть оптического. Границы переходов ультрафиолетового излучения, рентгеновского, -излучений точно не фиксированы, но приблизительно соответствуют указанным на схеме значениям и; -излучение переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лучами.

Несмотря на единую электромагнитную природу любой из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техникой генерации и измерений.

Основной характеристикой электромагнитного спектра представляющего совокупность диапазонов частот является волновой процесс. В результате электромагнитный спектр можно определить по его длине волны и частоте.

Частота - как быстро волна вибрирует или идет вверх и вниз. Длина волны - это расстояние между двумя пиками. Частота и длина обратно связаны, что означает, что волны низкой частоты имеют длиннее колебания и наоборот.

Человек может видеть свет в определенном диапазоне длин колебаний и частот. Этот диапазон называется видимым спектром. Частотный диапазон видимого спектра составляет от 405 терагерц до 790 терагерц.

Типы волн и электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр включает широкий спектр волн, который люди не могут видеть. Невидимые типы волн представляют радиоволны, инфракрасные и рентгеновские лучи. Эти типы колебаний широко применяются в различных областях науки и техники.

Если бы у человека глаза были как у гремучей змеи или совы он мог бы хорошо видеть ночью. Для того чтобы помочь пилотам увидеть в темноте или при плохой погоде в кабине устанавливается радар, обнаруживающий отражение радиоволн. И если бы глаза человека были чувствительны как лучи рентгеновской камеры люди могли бы даже видеть через органы или здания!

Свет, который могут видеть люди, это только одна часть всей электрической и магнитной энергии вокруг нашего мира. Радиоволны, Х-лучи, гамма-лучи и световые волны работают аналогичным образом. Вся вместе эта энергия называется электромагнитным спектром.

В видимом спектре цвет света зависит от частоты. представляет сложную комбинацию состоящую из многих длин. Если пропустить видимый спектр через призму создастся «радуга» путем перенаправления каждой длины волны под несколько иным углом. Порядок цветов красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго (темно синий) и фиолетовый.

Цвета света

Что мы видим, когда наблюдаем отраженный свет от объекта. Когда свет попадает на объект несколько длин колебаний поглощаются этим объектом, а некоторые отражаются. Свет различных длин волн выглядит как разные цвета. Когда мы видим объект определенного цвета, что означает, что свет этого цвета отражается от объекта. Например, когда вы видите красную рубашку, рубашка поглощает все цвета света, за исключением красного. Частота света, который мы видим, является отражение красного и мы видим эту рубашку как красную.

Черный и белый немного отличается от других цветов. Белый — это сочетание всех цветов, поэтому когда мы видим белый, объект отражает все цвета света. Черный является противоположностью. Когда мы видим черный объект, то это означает, что почти все цвета света поглощаются.

Аддитивные цвета

Аддитивность –целое значение величины равно сумме значений его составный частей.

Аддитивные основные цвета могут быть объединены, чтобы сделать любой другой цвет. Это три цвета красный, синий и зеленый. Этот факт используется все время в технологиях, таких как компьютерные экраны и телевизоры. Объединяя только три основных вида света различными способами, можно сделать любой цвет.

Субтрактивные цвета

Субтрактивный – вычитание из равномерного белого составляющих.

Если есть белый свет и хотите вычесть цвета, чтобы получить любой другой цвет, то необходимо использовать основные субтрактивные цвета для фильтрации или удаления света определенных цветов. Первичные субтрактивные цвета - голубой, пурпурный и желтый.

Что такое электромагнитное излучение?

Световые волны и другие виды энергии, которые излучаются вызывают электромагнитное излучение. Вместе они составляют то, что называется электромагнитный спектр . Наши глаза могут видеть только ограниченную часть электромагнитного спектра - красочные радуги мы видим в солнечный, но дождливый день, когда невероятно узкая часть электромагнитного излучения преломляется в капельках дождя. Это энергия видимого света, и как радиоволны и все остальное состоит из электромагнитных волн.

Эти волнообразные формы модели электричества и магнетизма на скорости 300000 км в секунду распространяются вокруг.

Свет, который видят люди тянется в спектре от красного (самая низкая частота и большая длина волны, которую глаза могут зарегистрировать) далее оранжевый, желтый, зеленый, синий и индиго (темно синий) и фиолетовый.

Как электромагнитная волна двигается

Если бы мы могли заглянуть внутрь светового луча (или других электромагнитных волн), что можно увидеть: электрическая волна вибрирует в одном направлении, а магнитная вибрирует в перпендикулярном. Две волны вибрируют в идеальной зависимости, перпендикулярном направлении путешествуете всегда вместе.

С XIX века ученые понимают, что электричество и магнетизм являются равноправными партнерами, которые работают вместе, близко во все времена.

Какие виды энергии составляют электромагнитный спектр?

Другие виды электромагнитного излучения, которые испускают объекты

• Радиоволны : если бы наши глаза могут видеть радиоволны, мы бы могли (в теории) смотреть ТВ программы просто глядя на небо! Длина радиоволны: 30 см – 500 м. Радиоволны охватывают огромную полосу частот варьируемой от десятков сантиметров высокой частоты до сотен метров в низкочастотном диапазоне. Электромагнитная волна больше, чем СВЧ радиоволна микроволновой печи.
• СВЧ : такие радиоволны используются не только для приготовления пищи в микроволновой печи, но и для передачи информации в радиолокационной технике. Типичный размер: 15 см (длина карандаша).
• Инфракрасное : просто с частотой немного короче чем красный цвет. Есть своего рода невидимый «горячий свет» называемый ИК. Хотя мы не можем видеть излучение, мы можем почувствовать путем потепления кожи, когда он попадает на наше лицо — это то, что мы думаем как излучаемое тепло. Если бы глаза человека были бы как у гремучих змей человек бы видел инфракрасное излучение, как линзы ночного видения, встроенные в наших головах. Типичная длина колебания: 0,01 мм
• Видимый спектр о котором пояснено выше.
• Ультрафиолетовое : это выше частоты фиолетового света, который наши глаза могут обнаружить. Солнце передает мощное ультрафиолетовое излучение, которое человек не может видеть. Вот почему человек получает загар, даже когда плавает в море или в пасмурные дни. Вот почему так важен солнцезащитный крем. Типичная длина колебания: 500 Нм (как большая бактерия).
• Рентгеновские лучи : очень полезный тип высокочастотных волн, широко используются в медицине и безопасности. Типичный размер: 0,1 Нм (ширина атома).
• Гамма лучи : излучаются радиоактивными веществами и опасны для жизни. Типичный размер: 0,02 Нм (ядро атома).

электромагнитного излучения, упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра – хорошо известная всем радуга. Возможность разложения солнечного света на непрерывную последовательность лучей разных цветов впервые экспериментально показал И.Ньютон в 1666. Направив на трехгранную призму узкий пучок света, проникавший в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне окна, он получил на противоположной стене изображение окрашенной полоски с радужным чередованием цветов, которая была названа им латинским словом spectrum . Проводя опыты с призмами, Ньютон пришел к следующим важным выводам: 1) обычный «белый» свет является смесью лучей, каждый из которых имеет свой собственный цвет; 2) лучи разных цветов, преломляясь в призме, отклоняются на различные углы, вследствие чего « белый » свет разлагается на цветные составляющие. Со временем ньютоновская интерпретация природы света завоевала всеобщее признание, поскольку хорошо согласовалась с экспериментальными данными, а сам эксперимент был принят учеными за основу научного подхода к изучению явлений природы.

Видимый свет – это лишь малая часть широкого спектра электромагнитного излучения, включающего радиоволновое, микроволновое, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Каждый вид излучения представляет собой волну из взаимно перпендикулярных электрической и магнитной компонент, периодически меняющихся с определенными частотами (иначе говоря, волна имеет определенную длину). Волны, которые воспринимаются глазом человека, принадлежат видимой области; именно к ней в свое время относился введенный Ньютоном термин «спектр». В современной науке этот термин распространен на весь диапазон электромагнитного излучения.

Спектральные исследования сыграли ключевую роль в познании Вселенной. С их помощью удалось понять строение не только атомов и молекул, но и таких астрофизических объектов, как Солнце, звезды, планеты, и получить подробную информацию об их движении. Разработанная теория спектров и накопленные эмпирические данные позволили создать метод спектрального анализа для качественного и количественного определения состава химических веществ. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; СВЕТ.

Классификация спектров. Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры. Поясним эту классификацию на примере видоизмененной схемы опыта Ньютона (которая, заметим, была применена лишь столетие спустя). Основное нововведение в этой схеме состояло в том, что круглое отверстие в ставне было заменено коллиматором – узкой щелью и линзой перед призмой. Вторая линза помещалась за призмой и предназначалась для проецирования спектра на экран, как это делал сам Ньютон в своих более поздних опытах. Если на щель простого спектроскопа (как теперь называется устройство, состоящее из щели, линз и призмы) направить свет от лампы накаливания, то на экране возникает непрерывный спектр со следующим порядком чередования цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Если же щель осветить пламенем, в которое внесена крупинка поваренной соли (хлорида натрия NaCl ), то спектр будет фактически состоять из двух близко расположенных ярких желтых линий. Аналогично, если щель осветить красным светом неоновой рекламной трубки, то на экране появится ряд ярких красных линий. Здесь каждая линия – это изображение щели спектроскопа, образованное светом определенной длины волны, а полученный спектр называется линейчатым спектром испускания. Существуют спектры, состоящие из групп линий, расположенных настолько тесно, что каждая группа выглядит как узкий участок непрерывного спектра. Такие спектры называются полосатыми. Линии Фраунгофера. В 1802, изучая непрерывный спектр Солнца, У.Волластон заметил в нем множество тонких темных линий. Двенадцатью годами позже Й.Фраунгофер, заменив зрительную трубу в спектроскопе Волластона трубой теодолита, точно измерил угловое положение темных линий. В честь него эти линии теперь называются фраунгоферовыми линиями солнечного спектра. См. также СОЛНЦЕ. Исследования Кирхгофа. В 1859 Г.Кирхгоф сформулировал свой знаменитый закон, связывающий поглощение и испускание. Суть его заключается в том, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает. На основании этого закона Кирхгоф следующим образом объяснил появление фраунгоферовых линий в непрерывном солнечном спектре. Газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение тех длин волн, которые соответствуют линиям испускания возбужденного газа. Поэтому на отдельных участках непрерывного солнечного спектра резко падает интенсивность и появляются темные линии.

Одно из самых важных открытий физической оптики состоит в том, что каждый атом и каждая молекула испускают характерный только для них линейчатый спектр. Многие исследователи, работавшие после Фраунгофера, были близки к этому открытию, но лишь Кирхгоф смог четко сформулировать его и применить на практике. Он понял, что характеристические спектры и закон, связывающий поглощение и испускание, позволяют спектральным методом определить химический состав солнечной атмосферы и, более того, что они являются универсальным инструментом, дающим возможность в лабораторных условиях обнаруживать и анализировать различные элементы (так, к примеру, были открыты рубидий и цезий). Его работы, выполненные совместно с Р.Бунзеном, заложили основы современной спектроскопии. См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В соответствии с длинами волн ( l ) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l , но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным. Радиоволны. Электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 1 см до 30 000 м составляет радиоволновую часть спектра. Поскольку скорость любого электромагнитного излучения в вакууме составляет 300 000 000 м / с и равна произведению длины волны на частоту ( c = ln ), то радиоволновому интервалу соответствуют частоты примерно от 10 000 герц (Гц, 1Гц = 1 с –1 ) до 30 000 мегагерц (МГц, 1МГц = 10 6 Гц). Излучение таких частот получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов, а для регистрации применяют резонансные радиосхемы.

Радиоволны используются в основном в системах связи и навигации. В 1932 было открыто радиоволновое излучение нашей Галактики, что в значительной мере стимулировало рождение новой науки – радиоастрономии. Крупного успеха радиоастрономия добилась в 1951, когда были обнаружены радиоволны, испускаемые облаками межзвездного водорода на единственной частоте, отвечающей длине волны около 21 см. В лабораториях радиоспектроскопия широко применяется для исследования атомов и молекул. См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ.

Микроволновое излучение. Излучение с длинами волн примерно от 0,5 мм до 30 см (частотный интервал от 600 000 до 1000 МГц) относится к микроволновому диапазону спектра. Для генерации микроволнового излучения применяются специальные электронные лампы (клистроны). Бурное развитие микроволновая техника получила в период Второй мировой войны в связи с резко возросшими требованиями к эффективности средств связи и радиолокации. Микроволновое излучение естественных источников обусловлено главным образом вращением молекул, хотя известны и СВЧ-спектры атомов. Исследование микроволновых вращательных спектров молекул является одни из самых точных методов определения структуры молекул газа. Инфракрасное излучение. Инфракрасное (ИК) излучение было открыто английским астрономом В.Гершелем в 1800. Пользуясь простым термометром, он установил, что тепловое излучение имеет наибольшую интенсивность за пределами видимой области вблизи его красной границы. Инфракрасная область спектра начинается примерно от 0,8 мкм и простирается примерно до 1 мм. Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней ИК-области (до ~ 1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами – детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте.

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов.

Видимая область. Видимой области соответствует диапазон длин волн от 400 нм (фиолетовая граница) до 760 нм (красная граница), что составляет ничтожную часть полного электромагнитного спектра. Источниками видимого света в лаборатории обычно служат раскаленные твердые тела, электрический разряд и лазеры (обычно лазеры на красителях). Перестраиваемые лазеры на красителях позволяют перекрывать большие участки видимого спектра (например, краситель родамин 6 G излучает в интервале 570–660 нм). Наиболее распространенными детекторами видимого излучения являются глаз человека, фотопластинки, фотоэлементы, фотоумножители. Видимые спектры связаны с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул и содержат важнейшую информацию об их электронной структуре. Ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовая (УФ) спектральная область была открыта в 1801, когда И.Риттер и У.Волластон, наблюдая солнечный спектр, обнаружили, что наибольшее почернение хлорида серебра вызывается излучением, более коротковолновым, нежели фиолетовое. К УФ-области относится излучение с длинами волн от 10 до 400 нм. УФ-излучение с длинами волн короче 185 нм поглощается воздухом, поэтому приборы для этого диапазона должны быть вакуумными. Поскольку лишь немногие из обычно прозрачных веществ остаются прозрачными для «вакуумного ультрафиолета», в таких приборах применяется отражательная оптика. Для регистрации ультрафиолетового излучения используются специальные фотопластинки и фотоэлектрические детекторы. Большинство УФ-спектров связано с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул, поэтому УФ-спектроскопия применяется для исследования строения атомов. Рентгеновское излучение. В 1895 было сделано одно из самых важных открытий физики: В.Рентген, изучая электрические разряды в газах, заметил, что бумажный экран, подвергнутый специальной обработке, начинает светиться, если его поднести к работающей газоразрядной трубке, и сделал вывод, что свечение возникает под действием нового, неизвестного проникающего излучения, названного им X -лучами. Из дальнейших экспериментов выяснилось, что X -лучи – это электромагнитное излучение, длинноволновая граница которого перекрывается с вакуумным ультрафиолетом, а коротковолновая составляет малую долю нанометра.

Рентгеновское излучение с непрерывным спектром часто называют тормозным излучением, поскольку оно возникает при замедлении электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки. См. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Гамма-излучение. Гамма-излучение отличается от рентгеновского меньшей длиной волны (0,1–10 –6 нм) и своим происхождением. Ядро, получив в результате ядерной реакции избыточную энергию, может оказаться в возбужденном состоянии. Возвращаясь в состояние с более низкой энергией, оно отдает избыточную энергию, испуская гамма-квант. Изучение спектров гамма-излучения позволяет получить важную информацию о строении ядер и ядерных взаимодействиях, подобно тому, как оптические спектры помогают понять строение атомов и молекул и действующие в них силы. ЛИТЕРАТУРА Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия . М., 1962
Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров . М., 1964

Совокупность всех частот (длин волн) электромагнитного излучения называют электромагнитным спектром. Интервал длин волн от 10 -10 до 10 -1 м разбивают на области (рис. 2): ультрафиолетовая (УФ) область охватывает диапазон ~10 - 380 нм; инфракрасная (ИК) область 750-10 5 нм; видимый свет, используемый в наиболее распространенных методах ана­лиза, занимает узкую область 380 -750 нм.

Поток фотонов с одинаковой частотой называют монохро­матическим , с разными частотами-полихроматическим. Обыч­ный наблюдаемый поток излучения от раскаленных тел, в ча­стности солнечный свет, является полихроматическим.

Рис. 2. Области электромагнитного спектра

2. Строение вещества и происхождение спектров

Из всего многообразия вопросов, связанных со строением вещества (структура кристаллических и некристаллических тел, теория химической связи, строение атомов, молекул и ядер), остановимся лишь на тех, которые имеют непосредственное отношение к спектроскопическим методам анализа,- это строение атомов и молекул.

2.1. Строение атома и происхождение атомных спектров

Атом-дискретная частица вещества размером ~10 -8 см, состоящая из положительно заряженного ядра радиусом ~10 -12 см и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Скорость электрона столь велика, что в атоме доминируют его волновые свойства. Длина волны движущегося электрона ~10 -8 см соизмерима с атомными размерами, по­этому электрон нельзя представить в виде дискретного объекта, как это делается в классической физике, например при движении электронов в газоразрядной трубке. Электрон как бы размазан по атому в виде волны, и можно говорить лишь о вероятности его пребывания в какой-то точке внутри атома или о рас­пределении плотности отрицательного заряда вокруг ядра, ко­торое может быть достаточно сложным.

Области с максимальной плотностью заряда называют эле­ктронными орбиталями или энергетическими уровнями , поскольку каждая орбиталь характеризуется определенной энергией. Энер­гетическое состояние всего атома определяется в основном энергией электронных орбиталей.

Каждый электрон и атом, а следовательно, энергетический уровень описывают набором четырех квантовых чисел: главного, побочного, магнитного и спинового.

Главное квантовое число п характеризует удаленность электрона от ядра и принимает значения 1, 2, 3, .... Чем больше n, тем дальше от ядра находится электронная орбиталь.

Побочное квантовое число l определяет форму орбитали и принимает значения 0, 1, 2, 3, ..., которые обозначают буквами s , р, d , f , .... Движущийся электрон обладает моментом количества движения. При l = 0 момент количества движения равен нулю и электрический заряд размазан по сфере, при l = 1 орбиталь имеет форму гантели.

Магнитное квантовое число т характеризует расположение орбитали в про­странстве и принимает значения от –l до l . При l = 0 магнитное квантовое число равно нулю, при l = 1 оно принимает значения -1, 0, +1, и орбитали, имеющие форму гантели, располагаются вдоль осей прямоугольной системы координат.

Спиновое квантовое число m s , равное -1/2 и +1/2, отражает собственный момент импульса электрона.

По принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел (хотя бы одно число должно отличаться). В противном случае силы отталкивания «вытолкнули» бы один из них на другую орбиталь. Поэтому многоэлектронный атом имеет сложную структуру: электроны с один­аковыми главными квантовыми числами образуют электронные слои-оболочки (уровни), обозначаемые буквами К, L, М, ... для /1 = 1, 2, 3, ... соответственно, а электроны с одинаковыми побочными квантовыми числами -подоболочки (подуровни) в пределах одной оболочки. Электроны с разными значениями l и т, но с одинаковым п могут оказаться равными по энергии (вырожденными), однако при воздействии какого-либо внешнего поля (электрического, магнитного и др.) вырождение снимается.