Promieniowanie elektromagnetyczne

[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Fala elektromagnetyczna

Widmo fal elektromagnetycznych

Spektrum fal elektromagnetycznych

Widmo fal elektromagnetycznych A – fale radiowe bardzo długie (ELF, SLF, ULF, VLF), B – fale radiowe, C – mikrofale, D – podczerwień, E – światło widzialne, F – ultrafiolet, G – promieniowanie rentgenowskie, H – promieniowanie gamma, I – widmo światła widzialnego.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Spis treści [ukryj] 1 Historia 2 Podstawy teoretyczne 3 Własności promieniowania 4 Widmo fal elektromagnetycznych 5 Zobacz też

Historia [edytuj]

• Istnienie fali elektromagnetycznej przewidział James Clerk Maxwell w roku 1861.

• Pierwszej emisji i odbioru fal elektromagnetycznych dokonał Heinrich Hertz w roku 1886.

Podstawy teoretyczne [edytuj]

Z równań Maxwella w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) wynika:

gdzie

H – wektor natężenia pola magnetycznego,

E – wektor natężenia pola elektrycznego.

Równania te są liniowymi równaniami różniczkowymi fali rozchodzącej się z prędkością

gdzie: ε to przenikalność elektryczna, a μ to przenikalność magnetyczna ośrodka, w którym rozchodzi się fala. W próżni prędkość ta jest prędkością światła w próżni i określa ją wzór:

gdzie przenikalności z indeksem 0 odnoszą się do próżni. Rozwiązaniem różniczkowych równań Maxwella są równania fali biegnącej. Dla fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku x równania te mają postać:

gdzie

E₀ – amplituda natężenia pola elektrycznego,

H₀ – amplituda natężenia pola magnetycznego,

ν – częstotliwość fali elektromagnetycznej,

λ – długość fali.

Równania Maxwella i ich rozwiązanie pozwoliło połączyć pole elektryczne i magnetyczne w jedno pole elektromagnetyczne i pokazało bezpośredni związek tego pola ze światłem.

Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą, jak wynika z równań Maxwella, jest równocześnie strumieniem kwantów – fotonów. Im mniejsza długość fali, tym bardziej ujawnia się cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego. Energia kwantu zależy od długości fali zgodnie ze wzorem:

Własności promieniowania [edytuj]

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowując się jak każda fala, ulega interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania.

Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od właściwości tych ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań ładunki zawarte w cząsteczkach i atomach, najczęściej są to elektrony. Indukowane w ten sposób drgania elektronów są źródłem fal wtórnych, którą poprzez superpozycję z falą padającą zmieniają jej długość i prędkość rozchodzenia się.

Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą energii cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, zwykle elektronów, jako cząstek o małej masie.

Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

Widmo fal elektromagnetycznych [edytuj]

Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

Pasmo	Długość [m]
Fale radiowe	>10^-4
Mikrofale	3·10^-1 - 3·10^-3
Podczerwień	10^-3 - 7,8·10^-7
Światło widzialne	7,8·10^-7 - 4·10^-7
Ultrafiolet	4·10^-7 - 10^-8
Promieniowanie rentgenowskie	10^-8 - 10^-11
Promieniowanie gamma	<10^-11

Granice poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego są umowne i nieostre. Dlatego promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od zastosowania. Graniczne promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego. Są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

Widmo liniowe

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Liniowe widmo emisyjne azotu

Liniowe widmo emisyjne żelaza

Liniowe widmo emisyjne wodoru

Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.

Widmo pasmowe

Z Wikipedii

Brak wersji przejrzanej

Skocz do: nawigacji, szukaj

Widmo pasmowe - widmo absorpcyjne lub widmo emisyjne rejestrowane w zakresie światła widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek (znajdujących się w fazie gazowej). Widmo pasmowe powstaje w wyniku przejść między elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do widma liniowego atomów, składającego się z dobrze rozseparowanych pojedynczych linii widmowych wynikających z przejść między poziomami elektronowymi, w widmie pasmowym zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-rotacyjną.

W pierwszym przybliżeniu, dane pasmo w widmie można interpretować jako wynikające z przejścia między poziomami elektronowymi w cząsteczce (między którymi różnica energii wynosi na ogół kilka elektronowoltów). Widma te zalicza się więc na ogół do widm elektronowych. Przejście może zachodzić też ze zmianą stanu oscylacyjnego cząsteczki (typowe odległości energetyczne między stanami oscylacyjnymi to 0,1 eV), stąd zamiast jednej linii (jak w atomach) obserwuje się ich cały szereg, związany z różnymi zmianami oscylacyjnej liczby kwantowej. Wreszcie, przy dobrej rozdzielczości widać, że każda z nich rozpada się na wiele bliskich linii, odpowiadającym różnym zmianom rotacyjnych liczb kwantowych (odległości między poziomami rotacyjnymi są rzędu 0,0001-0,001 eV).

W wielu przypadkach, w widmie pasmowym można zaobserwować ostre granice zwane głowicami pasma. Po jednej ich stronie linie są początkowo bardzo gęste, a później się rozrzedzają.

W widmie cieczy nie widać struktury rotacyjnej (rotacje są zahamowane), a strukturę oscylacyjną widać tylko w szczególnych przypadkach (dla stosunkowo małych cząsteczek).

Interpretacja widma pasmowego jest dość skomplikowana. Dokonuje się na ogół za pomocą przybliżenia Borna-Oppenheimera lub bardziej ogólnego przybliżenia adiabatycznego, które pozwalają na oddzielenie ruchu elektronów i jąder w cząsteczce. Na przewidzenie (w pierwszym przybliżeniu) struktury oscylacyjnej widma pasmowego pozwala zasada Francka-Condona.

Jest to zbiór wszystkich częstotliwości wyemitowanych przez atom podczas przejścia atomu z poziomów energetycznych wyższych na ściśle określone.

Widmo to linie papilarne atomów.

Ze względu na sposób otrzymywania widma dzielimy na :

• emisyjne - dostarczamy energii i pobudzamy atom do świecenia

• absorbcyjne - powstaje przy przejściu światła białego przez daną substancję. Typowym widmem absorbcyjnym jest widmo słoneczne - czarne kreski oznaczają, że dana długość fali została zaabsorbowana, czyli występuje pierwiastek absorbujący ją (zob.pkt.28.5.4).

Widmo ciągłe - jedna barwa przechodzi w drugą bez wyraźnej granicy (morphing)

Widmo liniowe - barwne prążki na ciemnym tle (dla atomów w stanie gazowym).

Widmo pasmowe - dla cieczy i zw. chemicznych.

Widmo słoneczne służy do określania składu chemicznego i poziomów energetycznych.

Do badania widma służy spektrometr.

Słowniczek pojęć związanych z analizą widmową
WIDMO - światło rozszczepione w pryzmacie lub siatce dyfrakcyjnej. Światło białe jest mieszaniną światła o różnej barwie, każdej barwie odpowiada inna długość fali. W pryzmacie światło o rożnej barwie załamuje się pod innym kątem- najsilniej niebieskie, najsłabiej czerwone, stąd oglądane rozszczepienie światła na poszczególne barwy.
WIDMO CIĄGŁE - kolorowy pas rozszczepionego światła, w którym barwy przechodzą gładko jedna w drugą. Źródłem promieniowania w widmie ciągłym są rozgrzane ciała stałe lub gazy znajdujące się pod wysokim ciśnieniem. Im wyższa temperatura ciała tym więcej energii wysyła ono w krótszych falach.
EMISYJNE WIDMO LINIOWE- światło o takim widmie wysyła gorący gaz pod niskim ciśnieniem. Każdy pierwiastek chemiczny posiada własny, niepowtarzalny układ linii widmowych. Linie te są w astrofizyce tym, czym linie papilarne w kryminalistyce - na ich podstawie można zidentyfikować każdy pierwiastek lub związek chemiczny.
ABSORBCYJNE WIDMO LINIOWE- powstaje gdy promieniowanie o widmie ciągłym przechodzi przez chłodny gaz (np. atmosferę gwiazdy). Atomy pierwiastków wchodzących w jego skład pochłaniają promieniowanie o ściśle określonych, tych samych co w widmie emisyjnym długościach fali

Spektrofotometr, rodzaj spektrometru optycznego, wyposażonego w wewnętrzne wzorcowe źródło światła, względem którego wykonuje się pomiar rozkładu natężenia promieniowania światła w widmie badanego obiektu (np. gwiazdy, wygrzewanej próbki chemicznej itp.).

Za pomocą spektrofotometru wykonuje się analizy ilościowe i jakościowe składu promieniowania. Stosowany jest jako element w przyrządach służących do wykonywania chemicznych analiz spektralnych (absorpcyjna spektrometria atomowa, spektrometria atomowa emisyjna).

Spektrofotometr – przyrząd pełniący jednocześnie funkcje spektrometru i fotometru, tzn. służący do wytwarzania widm optycznych i dokonywania pomiarów fotometrycznych dla różnych długości fali światła. Zwykle spektrofotometr stanowi monochromator z obracanym pryzmatem (co pozwala uzyskać światło monochromatyczne o danej długości fali w danym zakresie) sprzężony odpowiednio z odbiornikiem światła (zwykle z komórką fotoelektryczną), za pomocą którego mierzy się natężenie światła monochromatycznego wytwarzanego przez monochromator.

Absorpcjometria - zbiór metod chemicznej analizy instrumentalnej opartych na badaniu i pomiarach absorpcji promieniowania w zakresie od ultrafioletu poprzez światło widzialne do podczerwieni.