Основные характеристики оптического излучения

Световое (оптическое) излучение представляет собой поток фотонов (квантов). Фотон проявляет как свойства частицы (например, обладает импульсом), так и свойства волны (может характеризоваться частотой и длиной волны, способен к дифракции и интерференции). Следует заметить, что массой покоя фотон не обладает, поэтому существует только во время движения. Перемещение фотонов всегда осуществляется только со световой скоростью. В вакууме эта скорость (стандартно обозначается с) составляет примерно 3´10⁸ м/с. В иных средах скорость движения фотонов всегда меньше с.

Основной качественной (т.е. отличающей один тип излучения от другого) характеристикой оптического излучения является энергия 1 фотона (1 кванта). Данная энергия может быть рассчитана по формуле:

(1)

где Е_ф – энергия фотона (измеряется в Дж/квант, внесистемная единица измерения – электрон-вольт); h – постоянная Планка, (6,626´10^-34 Дж•с); n - частота излучения (измеряется в Гц, 1 Гц = 1/с = с^-1); с – скорость света; l - длина волны излучения (измеряется в метрах).

Определение 3:

Электрон-вольтом (эВ) называется кинетическая энергия, приобретаемая электроном при его разгоне в статическом электрическом поле напряженностью 1 В/м на расстоянии в 1 м. 1 эВ = 1,60219´10^-19 Дж.

Энергия фотона определяет тот вид взаимодействий, который будет изменяться в молекулах и атомах после его поглощения (Табл. 1). Для того, чтобы произошло такое изменение, необходимо, чтобы энергия поглощенного фотона была равна или была больше энергии соответствующего взаимодействия. Отсюда вытекает следующее правило: чем больше энергия фотона (меньше его длина волны), тем большее число взаимодействий в атомах и молекулах он способен изменить, и тем больше потенциальных хромофоров содержится для него в веществе.

Например, самыми сильными (энергонасыщенными) из известных типов взаимодействий являются ядерные, связывающие друг с другом нуклоны в ядрах атомов. Для того чтобы изменить характер межнуклонного взаимодействия, требуется чрезвычайно большая энергия. Однако имеются фотоны и с такой энергией. Правда, это излучение (жёсткое g -излучение) не относится к оптическому диапазону и не будет здесь подробно рассматриваться. Энергия жестких g -квантов такова, что они способны вызывать возбуждение нуклонов в ядрах атомов и инициировать ядерные реакции. Таким образом, потенциальным хромофором для этих фотонов служат ядра атомов, имеющиеся в любом веществе.

Нужно заметить, что на практике величина Е_ф как характеристика качества излучения применяется достаточно редко, обычно в тех случаях, когда требуется оценить вероятность индукции того или иного квантового события конкретными квантами или, например, требуется рассчитать энергию конкретных взаимодействий, меняющуюся под влиянием излучения. Но из уравнения (1) следует, что величину Е_ф можно легко определить, используя волновые характеристики фотона – его длину волны l или частоту n. При этом (см. уравнение (1)) от частоты фотона (n) Е_ф зависит прямо пропорционально, а от его длины волны l - обратно пропорционально. Последнее не всегда удобно, поэтому была введена ещё одна величина, характеризующая энергию фотона и связанная с ней прямо пропорционально. Это так называемое волновое число.

Определение 4:

Волновым числом v называется величина 1/ l. Измеряются волновые числа в см^-1.

Именно величины l, v и, несколько реже, n обычно применяются для описания качества (т.е. энергии) фотонов на практике.

Поскольку интервал изменения величин l, v и n (и, соответственно, Е_ф) бесконечен, его принято разбивать на отдельные участки, которые обозначаются как спектральные диапазоны. Хотя границы этих спектральных диапазонов достаточно условны и несколько отличаются в разных источниках, сами диапазоны выбраны таким образом, чтобы фотоны каждого конкретного диапазона после поглощения веществом влияли на конкретный тип взаимодействий в атомах и молекулах. В таблице 1 приведены типы молекулярных процессов, которые меняются после поглощения квантов излучений спектральных диапазонов, относящихся к оптической области спектра.

Таблица 1. Типы молекулярных процессов, изменяющихся после поглощения квантов излучения различных спектральных диапазонов оптической области спектра.

Ультрафиолетовый спектральный диапазон принято разбивать на следующие поддиапазоны: вакуумное ультрафиолетовое излучение (10-180 нм, в табл. - Вак); коротковолновое ультрафиолетовое излучение или УФС излучение (180-270 нм, в табл. – УФС); средневолновое ультрафиолетовое излучение или УФВ излучение (270-340 нм, в табл. УФВ) и длинноволновое ультрафиолетовое излучение или УФА излучение (340-380 нм, в табл. – УФА).

Публикуется с модификациями по: Эммануэль Н.М., Сергеев Г.Б. (ред.). Экспериментальные методы химической кинетики. М.: «Высшая школа», 1980, с. 6.

Спектральный диапазон	Инфракрасный	Видимый	Ультрафиолетовый
Дальний	Средний	Ближний	УФА	УФВ	УФС	Вак
Молекулярные процессы	Вращение молекул	Колебания молекул	Электронные переходы в молекулах

Измерение ослабления или испускания света объектом дает количественный результат в тех случаях, когда имеется возможность количественно описать излучение. Для такого описания используются такие величины, как интенсивность, поток и доза излучения.

Дата добавления: 2015-07-25