Квантово-волновая природа энергии электромагнитных излучений .

Процесс испускания электромагнитных волн материальной системой называется излучением.

Энергия излучения характеризуется электромагнитным диапазоном колебаний, охватывающим область длин волн от сотен метров (радиоволны) до 10^–11 метра — десятых долей ангстрема (g-излучение).

Диапазон электромагнитных излучений рассмотрен в разделе 1.2. Являясь одним из видов электромагнитного излучения, свет представляет собой электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью около 3×10⁸ м/с (в вакууме). Волновая теория света объясняет такие явления, как, например, преломление света, дифракция, поляризация и некоторые другие.

 

 

К электромагнитным волнам можно применить те же характеристики, которые свойственны хорошо доступным для наблюдения механическим колебаниям: длина волны l и частота колебаний n (число колебаний в единицу времени).

Эти характеристики связаны между собой соотношением:

, (2.1)

где c — скорость света.

Следует отметить, что длина волны l как характеристика волны наиболее часто используется в фотометрии, однако частота n является более универсальной характеристикой, так как длина волны меняется в оптических средах вследствие изменения скорости света, тогда как частота остается постоянной.

Единицей измерения частоты во всех системах служит герц (Гц, Hz). 1 Гц = 1 с^–1.

Человеческий глаз способен воспринимать только часть всего спектра электромагнитных излучений — видимый свет, частота колебаний которого соответствует длинам волн от 380 нм до 750 нм.

Спектральный диапазон современных фотометрических приборов, работающих в практических лабораториях, как правило, ограничивается диапазоном видимого света (VIS) и ближнего ультрафиолета (UV).

Кроме явлений, подтверждающих волновую природу электромагнитного излучения, известны и такие явления, связанные с распространением света, как поглощение и рассеяние. Они свидетельствуют о том, что свет — это поток материальных частиц (корпускул), названных фотонами. Энергия светового потока (энергия фотонов) E пропорциональна частоте электромагнитных колебаний n _а:

, (2.2)

где h — постоянная Планка, равная 6,626×10^–34 Дж×с = 6,626×10^–27 эрг×с.

Формула Планка (2.2) дает количественную связьмежду корпускулярными и волновыми свойствами фотона.

Характерной особенностью, в отличие от других частиц микромира, является отсутствие у фотона массы покоя,когда при поглощении фотона (его «торможении») прекращается само существование фотона, а его энергия превращается в другие виды энергии.

Фотон, пока он существует, обладает массой и импульсом , где c — скорость света в вакууме.

Оптическое излучение с любой длиной волны при его поглощении веществом может перейти в тепло. Однако для коротковолнового излучения (например, ультрафиолетового) велика вероятность того, что часть поглощенной энергии может возбудить люминесценцию.

При поглощении света внутренняя энергия атома или молекулы скачкообразно повышается от нормального уровня Е ₀ до более высокого Е ₁.

. (2.3)

Если скорость света в вакууме выразить в нанометрах с = 3,00×10¹⁷ нм/с, а постоянную Планка в джоулях в секунду h = 6,63×10^–34 Дж×с, то энергетическую характеристику фотонов отдельных участков спектра в зависимости от длины волны можно получить из уравнения в джоулях:

(Дж). (2.4)

Часто при рассмотрении взаимодействия излучения с веществом, энергию фотона выражают в электрон-вольтах (эВ; eV).

Электрон-вольт (эВ) является единицей энергии, равной энергии, которую приобретает частица, обладающая элементарным электрическим зарядом (равным заряду электрона) проходя разность потенциалов 1 вольт.

1 эВ = 1,602×10^–19, Дж.

Формула 3.4 приобретает вид в единицах энергии электрон-вольт:

, (эВ). (2.5)

Энергия фотонов коротковолнового участка спектра достаточно велика, поэтому энергетическое возбуждение отдельных молекул при поглощении света может вызвать химическую реакцию, т. к. энергия фотонов видимой и особенно ультрафиолетовой части спектра соизмерима с энергией химической связи.

Для сравнения с энергией химических реакций значение D Е _l удобнее выразить в килокалориях на моль (ккал/моль). Учитывая, что единица энергии 1 Дж = 0,239 кал, а моль по определению численно равен числу Авогадро (6,02×10²³ моль^–1), выражение 3.4 в единицах килокалориях на моль приобретает вид:

(ккал/моль). (3.6)

Энергия фотонов коротковолнового участка спектра очень велика, поэтому энергетическое возбуждение отдельных молекул при поглощении света может быть вполне достаточным для того, чтобы вызывать химическую реакцию.