Частота, длина волны и энергия электромагнитных колебаний
Волновые представления об электромагнитном излучении оперируют понятиями “длина волны” (традиционно представляется символом λ) и “частота” (традиционно представляется символом ). Размерность этих величин зависит от системы исчисления. К сожалению, в разных спектральных методах традиционно применяются не только разный способ выражения, но и размерность. Так, в электронной спектроскопии наиболее употребимой является длина волны, которую выражают в долях метра (нм – нанометр, ммкм), в инфракрасной спектроскопии – величина, обратная длине волны, выраженной в сантиметрах (см-1), в спектроскопии ЯМР основной величиной является частота, выраженная в Гц, в ряде случаев характеристику электромагнитного излучения приводят в эВ. Этот разнобой приводит к некоторым затруднениям в представлении и сопоставлении величин.
На рисунке 1 .1 схематично представлен характер волны. Если за отрезок времениτэлектромагнитная волна “проходит” путь, равныйl, совершая при этомnпереходов от крайней “верхней точки” до крайней “нижней точки” (такой полный переход называется периодом волны), то длиной волны λ является “длина” одного периода. При этом частотой колебаний называется величина, :
|
|
( |
1.1 |
) |
.Учитывая, что скорость света (скорость распространения электромагнитных колебаний) в вакууме является величиной постоянной и ограниченной и обозначается как c, оказывается, что частота, длина волны и скорость света связаны между собой уравнением:
|
|
( |
1.2 |
) |
.Величина,
обратная длине волны, называется волновым
числом и обозначается как
:
|
|
( |
1.3 |
) |
.Если длина волны выражена в см, то волновое число, соответственно имеет размерность см-1. Такое представление используется в ИК-спектроскопии. Волновое число пропорционально частоте и является частным частоты, выраженной в Гц, и скорости света, выраженной в см×сек-1:
|
|
( |
1.4 |
) |
.Несмотря на анахроичность системы СГС, эта величина сегодня остается общеупотребимой, с чем приходится смириться.
|
Рисунок |
1.1 |
– Схематическое представление световой волны |
Спектральные диапазоны
E=E1–E0=hν
При поглощении энергического излучения малой длиной волны происходит изменение энергетических уровней протонов и нейтронов. Такие переходы изучает γ-резонансная или месбауэровская спектроскопия.
10-8– 10-6– изменение энергии внутренних электронов атомов. Эти переходы изучает рентгеновская спектроскопия.
10-6– 10-4– возбуждение внешних валентных электронов молекулы. Область УФ-спектроскопии.
10-4– 10-2– изменения колебательного состояния атомов в молекуле. Область ИК-спектроскопии.
10-2– 10 – микроволновая область, которая фиксирует изменение колебательного состояния частиц в узлах кристаллической решетки.
>100 – радиочастотная область (радиоволны), которая позволяет наблюдать изменения спинового состояния ядер атома. Область ЯМР-спектроскопии.
Ультрафиолетовая спектроскопия.
10-6– 10-4см.
100 – 1000 нм.
<195 нм – поглощает O2 воздуха
<165 нм – поглощает N2воздуха
Поэтому спектры <165 нм записывают в вакууме, а эту область называют вакуумной.
350 – 700 нм - видимая область.