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.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Спектральные методы анализа основаны на регистрации спектров испускания или поглощения атомов и молекул и измерении интенсивности электромагнитного излучения в узком энергетическом диапазоне. Методы спектрального анализа подразделяются на радиочастотную, оптическую, рентгеновскую и др. виды спектрометрии в зависимости от того, в какой области электромагнитного спектра проводятся измерения.

Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано либо волновым , либо энергетическим параметрами. Все эти величины взаимосвязаны и выбор той или иной величины определяется удобствами при работе.

Волновой параметр выражается длиной волны l (м, см, мкм, нм или Å), частотой колебаний n (с -1 или герц, 1 Гц = 1 с -1), либо волновым числом uu (м -1 , см -1). В некоторых книгах волновое число обозначают знаком . Частота электромагнитных колебаний n связана с длиной волны l соотношением n = c/l, где с - скорость света в вакууме, равная 2.997925∙10 8 м/с (приближенно 3∙10 8 м/с). В спектроскопии принято называть частотой также и волновое число u = 1/l , показывающее, сколько длин волн умещается на интервале 1 см (т.е. если l = 10 -5 м = 10-3 см, то u = 1000 см -1). В нарушение требования об использовании системы СИ волновые числа измеряют по-прежнему в обратных сантиметрах (см -1). 1 см ≡ 11.9631 Дж /моль.

Частота линии спектра поглощения связана с разностью энергий ΔЕ возбужденного и основного состояний:

ΔЕ= hν = Е возб. - Е осн.,

где h – константа Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).

Как следует из вышеприведенной формулы кванты излучения с более короткой длиной волны (с более высокой частотой) имеют более высокую энергию.

Рис.1. Схема квантования энергии электрона в атомарном водороде (на схеме не указаны р - и d – подуровни). Энергия электрона с главным квантовым числом n = 1 соответствует основному состоянию атома (1s 1). Другие состояния (2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , ….) – возбужденные. Переход электрона из возбужденных состояний 2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , … на уровень 1s 1 соответствует серии Лаймана, из состояний 3s 1 , 4s 1 , … на уровень 2s 1 - серии Бальмера и т.д.

Рис. 2. Спектр испускания атомарного водорода - светлые линии и полосы на черном фоне. черные линии на белом фоне. Спектры поглощения выглядят иначе – черные линии и полосы (на том же самом месте) на белом фоне. белые линии и полосы на черном фоне. Расширение линий связано с

Спектр электромагнитного излучения

Е кванта →

10 5

3∙10 -4

8∙10 -7

4∙10 -7

10 -8

10 -12

l, м

Радиочастотная область

Микроволновая область

Инфракрасная область

Видимое излучение

Ультрафиолетовая область

Рентгеновское излучение

g - излучение космические лучи

Вращательный спектр

К-вр.

Электронный спектр

Изменения

Изменения

Изменение энергетического состояния спинов электронов (ЭПР - спектроскопия). Изменение энергетического состояния спинов ядер (ЯМР - спектроскопия)

Колебательно - вращательный спектр (колебания атомов в молекуле). ИК - спектроскопия

Изменения в энергетическом состоянии внешних (валентных) электронов (Спектроскопия в УФ и видимой области, КР - спектроскопия)

в энергетическом состоянии внутренних электронов атомов (Рентгеноско-пия)

в энергетическом состоянии ядер (ядерно- физические методы анализа)

Электромагнитный спектр простирается от жесткого g- излучения с очень короткой длиной волны до длинных радиоволн. Каждая из областей спектра связана с определенными видами внутримолекулярных движений, процессами в атомах и ядрах. При поглощении или испускании квантов света изменяется энергия электронов в электронных оболочках атомов и молекул, энергия колебания атомных ядер в молекуле и энергия вращения молекулы.

Все виды внутримолекулярных движений взаимосвязаны, но для каждого из них существует определенный набор допустимых (разрешенных) значений энергии.

1.1.1 Молекулярные спектры испускания, поглощения и комбинационного (см.п 1.4) рассеяния

Современное учение о спектрах электромагнитного излучения базируется на квантовой теории, согласно которой атомная система является устойчивой лишь в определенных стационарных состояниях, соответствующих некоторой дискретной последовательности значений энергии. Переход между двумя квантовыми состояниями 1 « 2 с энергиями Е 1 и Е 2 приводит к поглощению (абсорбции), ‌E 1 < E 2‌ , или испусканию (эмиссии), ‌E 1 > E 2‌ , энергии в виде электромагнитного излучения с частотой n, определяемой уравнением Бора:

DE =‌ ‌|E 1 - E 2‌ | ‌‌= hn,

где E 1 и E 2 - энергия начального и конечного состояний соответственно, hh - постоянная Планка, n - частота поглощаемого или испускаемого излучения. h = 6.616 10 -34 Дж∙с

Согласно уравнению частот Бора в спектре возникает линия с частотой (с -1)

n = |E 1 - E 2‌ | /h

или с волновым числом (см -1)

u = |E 1 - E 2‌ | /hc.

Переходы с нижнего энергетического уровня на верхний порождают спектр поглощения (абсорбции), с верхнего на нижний - спектр испускания (эмиссии) (рис.2).

В оптико - спектрометрических методах анализа используют дискретность энергетических уровней молекул и испускание или поглощение излучения, которое связано с переходом молекулы или атома с одного энергетического уровня на другой (Рис.1). Энергию квантов света в спектроскопии выражают в обратных сантиметрах, учитывая, что 1 см -1 ≡ 11.9631 Дж/моль. Наиболее высокую энергию имеют кванты, возникающие при электронных переходах (от 40 до 400 кДж/моль), затем следуют колебательные кванты (от 4 до 40 кДж/моль) и затем вращательные, с самой малой энергией (0.4 - 4 кДж/моль). Электронный переход одновременно сопровождается колебательными и вращательными переходами, т.е. представляет собой электронно - колебательно - вращательный переход. (рис.3).

Рис. 31. Схема энергетических уровней двухатомной молекулы: Е е - уровни энергии электронов; Е v – уровни колебательной энергии (vibration – вибрация, колебание): Е r – уровни вращательной энергии (rotation –вращение): v evr – переходы, соответствующие электронно – колебательно - вращательному спектру: v v r - переходы, соответствующие колебательно-вращательному спектру; v r – переходы, соответствующие вращательному спектру. [Золотов. Основы аналитической химии. Книга 2. с.207]

Энергия кванта такого перехода выражается формулой

e эл.-кол.-вр = e эл + e кол + e вр = hn эл + hn кол + hn вр,

а частота соответствующей линии в спектре равна сумме частот (это одна линия):

n эл.-кол.-вр = n эл + n кол + n вр.

Для краткости электронно – колебательно - вращательный спектр называют просто электронным спектром. Он состоит из множества серий полос в УФ и видимой области. Каждая серия отвечает одному электронныому переходаму с более высоких уровней на какой-либо ниже расположенный (рис.1). Энергия квантов, возбуждающих такие переходы, повторим, лежит в области 40 ÷ 400 кДж/моль. Волновые числаЧастоты νu квантов электронныхого переходова лежат в диапазоне (3.3 ÷ 33.3)∙10 3 см -1 , что соответствует длинам волнт.е. l от 0.3 до 3 мкм.

Кванты более низкой энергии в области 4 ÷ 40 кДж/моль отвечают переходам между колебательными уровнями. При этом неизбежно происходит и изменение вращательных состояний, еще более низких по энергии, и возникает колебательно-вращательный спектр. Энергия перехода и частота линий в колебательно-вращательном спектре связаны соотношениями:

e кол.-вр = e кол + e вр = hn кол + hn вр.

n кол.-вр = n кол + n вр.

При данном колебательном переходе с частотой n кол возникает полоса, отдельные линии которой отвечают разным комбинациям слагаемых в сумме n кол + n вр. Волновые числа u Частоты колебательных квантов n простираются от 30 до 4000 см -1 (l от 2.5 мкм до 0.3 мм). Это далекая инфракрасная область, вплотную смыкающаяся с областью миллиметровых радиоволн.

Кванты еще более низкой энергии (0.4 ÷ 4 кДж/моль) могут вызывать только переходы между вращательными уровнями и дают начало чисто вращательному спектру. Энергии перехода и частоты во вращательном спектре связаны соотношением

e вр = hn вр.

Каждая линия в таком спектре имеет частоту n вр , отвечающую i -му вращательному переходу. Вращательный спектр имеет частоты порядка 10 -1 ÷ 1 см -1 и простирается в область субмиллиметровых (МВ - микроволновая область) и сантиметровых (СВЧ - сверхвысокочастотная область) радиоволн.

Рис.3.Форма полос в молекулярных спектрах: а - гладкий колокообразный контур; б – полоса с выраженной тонкой структурой. Характеристики полосы: I max , v max , Δv. Спектральная полоса –это совокупность близко расположенных спектральных линий, образующихся в результате наложения на электронный переход сопутствующих ему колебательных и вращательных переходов.

Контур спектральной полосы в молекулярных спектрах может быть гладким колокообразным или обнаруживать тонкую структуру (рис.3). Полосу без разрешенной тонкой структуры принято характеризовать, как и спектральную линию, тремя параметрами: частотой n max (длиной волны l max ); значением максимальной интенсивности (пиковой интенсивности) I max ; шириной Δv (Δλ ). Ширина полос в колебательно-вращательном спектре может достигать нескольким десятков обратных сантиметров, а в электронном – несколько тысяч обратных сантиметров.

1.1.2 Возбуждение спектра

Энергетическое воздействие на вещество может осуществляться тепловым, электромагнитным, химическим и другими путями. Все эти воздействия приводят к испусканию веществом электромагнитных излучений. Энергия излучается в виде линейчатого спектра, характеризующегося дискретными значениями длин волн. При прохождении излучения сплошного спектра через вещество, напротив, происходит поглощение энергии и образуется спектр поглощения, также характеризующийся дискретными значениями длин волн. Отношение интенсивностей полосы, отвечающей одному и тому же переходу m « n , в спектре поглощения (абсорбции) I a и спектре испускания (эмиссии) I e различно и зависит от частоты перехода. Теория приводит к соотношению

т.е. интенсивность испускания I e во много раз превосходит интенсивность поглощения I a в области высоких частот . Поэтому спектры испускания удобнее изучатьизучают в видимой и ультрафиолетовой области. В области малых частот (ИК- и СВЧ- области) удобнее изучать спектры поглощения. На этих частотах, наоборот, интенсивнее спектры абсорбции.

С другой стороны, спектры испускания известны для атомов (изучены атомные спектры) и лишь сравнительно небольшого числа достаточно простых молекул. Поэтому молекулярные спектры изучают главным образом как спектры поглощения , когда излучение источника сплошного спектра (например, лампы накаливания) проходит через кювету, наполненную раствором вещества. Так как каждый структурный элемент молекулы поглощает энергию только в характерной для него области, то определив частоту и количественно оценив интенсивность поглощаемого излучения можно установить структуру соединения (качественный анализ) и определить количество исследуемого вещества (количественный анализ).

Виды излучений

Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.

Электролюминесценция (от латинского люминесценция - «свечение») – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.

Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.

Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Спектры

Полосатые спектры

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектральный анализ

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.

Схема устройства призменного спектрографа

История

Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

Фраунгоферовы линии

Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г.Кирхгоф и Р.Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году - рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).

Принцип работы

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Спектр электромагнитных излучений

Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны . При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 - 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.

Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за

его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.

Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение (<10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.

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.

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.

Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению , называются спектральными . Спектр и спектральные цвета можно увидеть при прохождении узкого светового луча через призму или какую-либо другую преломляющую среду. Традиционно, видимый спектр делится, в свою очередь, на диапазоны цветов:

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380-440	790-680	2,82-3,26
Синий	440-485	680-620	2,56-2,82
Голубой	485-500	620-600	2,48-2,56
Зелёный	500-565	600-530	2,19-2,48
Жёлтый	565-590	530-510	2,10-2,19
Оранжевый	590-625	510-480	1,98-2,10
Красный	625-740	480-405	1,68-1,98

Ближнее инфракрасное излучение занимает диапазон от 207 ТГц (0,857 эВ) до 405 ТГц (1,68 эВ). Верхняя граница определяется способностью человеческого глаза к восприятию красного цвета, различной у разных людей. Как правило, прозрачность в ближнем инфракрасном излучении соответствует прозрачности в видимом свете.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение расположено между видимым светом и терагерцовым излучением. Диапазон: от 2000 мкм (150 ГГц) до 740 нм (405 ТГц).