Спектральные параметры и шкалы.

Спектр – это полная совокупность монохроматических электромагнитных волн или однородных квантов одинаковой энергии, на которую можно разложить данное излучение. Отдельные составляющие спектра различаются положением излучения на спектральных шкалах.

Частота колебаний n – число полных колебаний за единицу времени.

Частота обратно пропорциональна периоду колебаний, т. е. длительности одного полного колебания n=1/ T _t; [n]= T ^–1.

За единицу частоты принят 1 герц, т. е. частота, при которой одно колебание совершается за 1 секунду.

Длина волны l– расстояние, на которое смешается поверхность одинаковой фазы волны за одно полное колебание, двигаясь со скоростью распространения волны в среде v.

Размерность [l]= L, единица в СИ 1 м, чаще используется 1 микрон = 10^–6 м = 1 мкм.

Таким образом, электромагнитное излучение можно классифицировать в соответствии с длиной волны в вакууме l или с частотой колебания n (или круговой частотой w=2pn). Между длиной волны l и частотой n при п = 1 существует соотношение

n= c ₀/l.

Преимущество характеризовать излучение частотой n, а не длиной волны l, связано с тем, что n не изменяется в противоположность l при переходе излучения из одной среды в другую.

По диапазонам длин волн излучение классифицируется на: ультрафиолетовое (УФ) излучение, l=0,05–0,4 мкм; видимое (ВД) излучение (свет) l=0,4–0,76 мкм; инфракрасное (ИК) излучение, l = 0,76–1000 мкм; тепловое излучение, l = 0,1–1000 мкм; оптическое излучение, l = 10 Å – 1000 мкм (см. Табл. 1, 2 и рис. 1, границы интервалов приведены условно).

Тепловое излучение теоретически содержит колебания любой длины волны
от 0 до ¥, однако вклад в общую энергию больших и малых частот крайне низок, поэтому выделен диапазон l, имеющий практическое значение для вычисления W.

Для спектральных шкал еще используются: циклическая частота , волновое число , логарифм частоты ln n.

Волновое число  – величина, обратная длине волны, которая показывает, сколько длин волн укладывается в единице длины. Измеряется обычно в [см^–1].

Циклическая частота ω₀=2πν, измеряется в [рад/с].

Рассмотренные шкалы связаны между собой соотношениями

;                     (2.21)

а с учетом спектрального показателя преломления среды n (скорость света диэлектрической среде с = с ₀/ n):

                                                      (2.21¢)

Шкала электромагнитных волн представлена на рис. 2.1

Таблица 2.1.

Физическая классификация по диапазонам длин волн теплового излучения

Излучение	Δλ, мкм	Δλ, нм	Δλ, Å	Δ , см-1	Δν, с-1
Инфракрасное (ИК)	3,0х102÷ 7,6х10-1	3,0х105÷ 7,6х102	3,0х106÷ 7,6х103	3,3х101÷ 1,32х104	1012÷3,95х1014
Видимое	7,6х10-1÷ 4,0х10-1	7,6х102÷ 4,0х102	7,6х103÷ 4,0х103	1,32х104÷ 2,5х104	3,95х1014÷ 7,5х10
Ультрафиолетовое (УФ)	4,0х10-1÷ 3,0х10-3	4,0х102÷ 3,0х100	4,0х102÷ 3,0х101	2,5х104÷ 3,3х106	7,5х1014÷1017

Таблица 2.2

Шкала электромагнитных волн

Область спектра	ν, с-1	, см-1	λ, мкм
Радиочастотная: длинноволновая коротковолновая микроволновая	103÷107 107÷109 109÷1012	3,3х10-8÷3,3х10-4 3,3х10-4÷3,3х10-2 3,3х10-2÷3,3х101	3х1011÷3,3х107 3х107÷3,3х105 3х105÷3,3х102
Теплового излучения: инфракрасная видимая ультрафиолетовая	1012÷3,95х1014 3,95х1014÷7,5х1014 7,5х1014÷1017	3,3х101÷1,32х104 1,32х104÷2,5х104 2,5х104÷3,3х106	3,0х102÷7,6х10-1 7,6х10-1÷4,0х10-1 4,0х10-1÷3,0х10-3
Рентгеновская	107÷1020	3,3х106÷3,3х109	3,0х10-3÷3,0х10-6
Гамма-излучения	>1020	>3,3x109	<3,0x10-6

Оптическое излучение (свет) и тепловое излучение являются узкой частью всего электромагнитного спектра и практически охватывают только инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области.

С квантовой точки зрения излучение рассматривается как совокупность частиц – фотонов, энергия которых связана с частотой n эквивалентного электромагнитного поля соотношением

E = h n,                                                                     (2.22)

где h – постоянная Планка, h = 6,62×10^–34 Дж×с.

Световые кванты – фотоны – обладают импульсом h n/ c, направление которого совпадает с вектором потока энергии поля – вектором Умова–Пойтинга. Поскольку скорость фотона всегда равна скорости распространения электромагнитного излучения в вакууме, то согласно теории относительности его масса равна нулю.

Рис. 1. Электромагнитный спектр

Фотон обладает также моментом количества движения или спином, абсолютное значение которого равно h /2p. При испускании излучающей средой фотона происходит его возникновение как частицы, причем его энергия, масса, импульс и спин заимствуются от испускающей его частицы, т. е. имеют место уменьшение энергии и массы излучающей среды и механический импульс отдачи при испускании. После поглощения средой фотон перестает существовать как частица, а его энергия, масса, импульс и спин передается поглотившему его атому или молекуле.