1. ХАРАКТЕРИСТИКА І ДІАПАЗОНИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

З курсу фізики відомо, що електромагнітне випромінювання має подвійну природу. Закономірності розповсюдження, дифракції та інтерференції випромінювання описуються хвильовою теорією, згідно з якою світло є електромагнітною хвилею. Закономірності випромінювання і поглинання описуються квантовою теорією, яка розглядає випромінювання як потік матеріальних частинок – фотонів.

З точки зору хвильової теорії електромагнітне випромінювання характеризується довжиною хвилі (λ) і частотою (ν), які пов'язані співвідношенням:

,

де с -швидкість розповсюдження електромагнітного випромінювання. У вакуумі с =3ּ10⁸ м/с.

Довжина хвилі може вимірюватися в метрах, сантиметрах, міліметрах (1 мм=10^-3 м), а для коротких довжин хвиль в мікрометрах (мікронах, 1 мкм=10^-6м), нанометрах (мілімікронах, 1 нм=10^-9м), ангстремах (1 Å = 10^-10 м).

Згідно корпускулярної теорії електромагнітне випромінювання характеризується певною енергією фотона (Е), яка вимірюється в джоулях (Дж). Зв'язок енергії фотона з хвильовими характеристиками електромагнітних коливань дається формулою Планка:

Таким чином λ, n або E однозначно характеризують вид електромагнітного випромінювання.

У залежності від механізму випромінювання електромагнітні коливання поділяються на діапазони (області), які відрізняються довжинами хвиль (нм):

Практично всі області електромагнітного випромінювання використовуються для визначення хімічного складу речовин. Предметом нашого розгляду є оптичні методи аналізу, які використовують електромагнітне випромінювання оптичного діапазону, що охоплює довжини хвиль (1-1×10⁵ нм) і складається з ультрафіолетової (УФ), видимої і інфрачервоної (ІЧ) областей. Це випромінювання пов'язане з процесами, які відбуваються з участю зовнішніх (оптичних, валентних) електронів атомів, і з просторовою будовою молекул.

Випромінювання, яке складається з електромагніних коливань певної довжини хвилі називається монохроматичним. У природі монохроматичне випромінювання зустрічається рід­ко. Зазвичай випромінювання складається з електромагнітних коливань різних довжин хвиль.

Сукупність довжин хвиль, частот або енергій фотонів, з яких складається випромінювання називається спектром.

Для хімічного аналізу використовуються закономірності як випромінювання електромагнітних хвиль об'єктом аналізу, так і взаємодії випромінювання від стороннього джерела з матеріалом об'єкту аналізу.

1.Особливості видимого діапазону

Ви́диме сві́тло — область спектру електромагнітних хвиль, що безпосередньо сприймається людським оком. Характеризується довжинами хвиль від 380 (фіолетовий колір) до 750 (червоний колір) нм.

Видимий діапазон відповідає енергії фотонів від 1,7 еВ (червоне світло) до 3 еВ (фіолетове світло).

Хвилі з довжиною меншою за 380 нм називають ультрафіолетовими, більшою за 750 нм. — інфрачервоними.

Чутливість людського ока до хвиль різної частоти у видимому діапазоні різна. Вона має максимум у середині діапазону (зелений колір) і зменшується в напрямках границь. Це значить, що серед джерел світла одинакової інтенсивності, зелене джерело здаватиметься яскравішим, ніж червоне, або блакитне.

2. Структура плоскої електромагнітної хвилі та її комплексна форма. Поляризація електромагнітних хвиль. Вектор Умова-Пойнтінга.

Таким середовищем є вакуум,а близьким до нього є сухе повітря. На практиці зустрічаються випадки, коли за умов конкретної задачі втратами можна знехтувати. У всіх цих випадких можна вважати, що йде мова про середовище, в якому σ=0 і tgδ=0. В цьому випадку , a=0.

Фазова швидкість плоскої хвилі буде дорівнювати

Групова швидкість

З цього видно що в таких середовищах фазова і групова швидкості рівні між собою.

Хвильовий опір є дійсним числом, а вектори та зберігаються за фазами:

Плоска́ хви́ля — хвиля, фронт якої є площиною. Рівняння плоскої хвилі має загальний вигляд:

,

де орт задає напрям розповсюдження хвилі, v — швидкість хвилі, f — довільна функція.

Поляриза́ція хвиль — явище порушення симетрії розподілу збурень у поперечній хвилі (наприклад, напруженостей електричного або магнітного полів в електромагнітних хвилях) відносно напрямку її поширення. У поздовжній хвилі поляризація виникнути не може, так як збурювання в цьому типі хвиль завжди збігаються з напрямком поширення.

Математичне формулювання

Електромагнітні хвилі із певним хвильовим вектором в системі координат, вісь z якої збігається із напрямком розповсюдження, можуть бути записані в загальному вигляді так

,

де та - це орти у напрямку осей x та y, ω - частота, і - дві незалежні амплітуди, і - дві незалежні фази.

Лінійна поляризація

Якщо фази і збігаються, то для хвилі в будь-який момент часу виконується співвідношення

.

Тобто, у цьому випадку і зв'язані лінійним співвдіношенням. Така поляризація електромагнітної хвилі називається лінійною поляризацією.

До цього випадку відносяться також хвилі для яких або . Будь-яку лінійно-поляризовану хвилю можна звести одного із цих двох випадків, вибравши відповідним чином напрям осей x та y.

Циклічна поляризація

Циклічна або колова полиризація виникає тоді, коли , а фази відрізняються на чверть періода:

.

У цьому випадку електромагнітна хвиля записується

.

Для такої хвилі виконується рівність

,

яка є рівнянням кола щодо змінних та .

В залежності від знаку зсуву фази вектор напруженості електричного поля в будь-якій точці простору для циклічно-поляризованої хвилі обертається за чи проти годинникової стрілки, виконуючи повний оберт за період.

Будь-яку лінійно поляризовану хвилю можна зобразити у вигляді суперпозиції двох циклічно-поляризованих хвиль із обертанням за та проти годинникової стрілки.

Еліптична поляризація

В загальному випадку між змінними та існує співвідношення, яке задається рівнянням.

.

Це рівняння еліпса, тож така поляризація називається еліптичною.

Неполяризована хвиля

Зазвичай, світло, яке ми спостерігаємо, не має жодної з перечислених вище поляризацій. Звичайне світло складається з хаотичного випромінювання багатьох атомів. Фази й інтенсивності в такому світлі неузгоджені між собою й не зберігаються протягом тривалого часу. Таке світло називають неполяризованим.

Однак, неполяризоване світло можна поляризувати, пропустивши його через спеціальні поляризатори, дія яких базується на непропусканні світла однієї з лінійних поляризацій. У світлі, що виходить із поляризатора, присутня лише одна з поляризацій і воно є лінійно-поляризованим. Існують також середовища, які вибірково пропускають одну із можливих кругових поляризацій. Існують середовища, які можуть обертати площину поляризації світла. Такі середовища називають оптично активними.

Вектор Пойнтинга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:

(в системе СГС),

(в системе СИ),

где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно.

В случае квазимонохроматических электромагнитных полей, справедливы следующие формулы для усреднённой по периоду комплексной плотности потока энергии^[1]:

(в системе СГС),

(в системе СИ),

где E и H — векторы комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно. В этом случае чёткий физический смысл имеет только действительная часть комплексного вектора S — это вектор усреднённой за период плотности потока энергии. Физический смысл мнимой части зависит от конкретной задачи.

Модуль вектора Пойнтинга равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.

Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то нормальная составляющая вектора S непрерывна на границе двух сред.