Спектр электромагнитного излучения - упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Возможность разложения солнечного света на непрерывную последовательность лучей разных цветов впервые экспериментально показал И.Ньютон в 1665г. Направив на трехгранную призму узкий пучок света, проникавший в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне окна, он получил на противоположной стене изображение окрашенной полоски с радужным чередованием цветов, которая была названа им латинским словом spectrum. Проводя опыты с призмами, Ньютон пришел к следующим важным выводам:
1) обычный «белый» cвет является смесью лучей, каждый из которых имеет свой собственный цвет;
2) лучи разных цветов, преломляясь в призме, отклоняются на различные углы, вследствие чего «белый свет разлагается на цветные составляющие.
Каждый вид излучения представляет собой волну из взаимно перпендикулярных электрической и магнитной компонент, периодически меняющихся с определенными частотами (волна имеет определенную длину). Волны, которые воспринимаются глазом человека, принадлежат видимой области; именно к ней и относился введенный Ньютоном термин «спектр», а в современной науке он распространен на весь диапазон электромагнитного излучения. Видимый свет – это лишь малая часть широкого спектра электромагнитного излучения, включающего радиоволновое, микроволновое, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения.
Свет – это электромагнитное излучение с длиной волны l от 10–3 до 10–8 м. Этот диапазон длин волн включает инфракрасную (ИК), видимую и ультрафиолетовую (УФ) области. Инфракрасный интервал спектра (l = 1 мм ё 750 нм) подразделяется на дальнюю (1 мм ё 50 мкм), среднюю (50 ё 2,5 мкм) и ближнюю (2,5 мкм ё 750 нм) области. При комнатной температуре любое материальное тело излучает в дальней инфракрасной области, при температуре белого каления излучение сдвигается в ближнюю инфракрасную, а затем и в видимую часть спектра. Видимый спектр простирается от 750 нм (красная граница) до 400 нм (фиолетовая граница). Свет этих длин волн воспринимается человеческим глазом, и именно на эту область приходится большое число спектральных линий атомов. Диапазон от 400 до 200 нм соответствует ультрафиолетовой области, далее примерно до 1 ё 10 нм следует вакуумный ультрафиолет.
Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры. Если на щель простого спектроскопа направить свет от лампы накаливания, то на экране возникает непрерывный спектр со следующим порядком чередования цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Если же щель осветить пламенем, в которое внесена крупинка поваренной соли (хлорида натрия NaCl), то спектр будет фактически состоять из двух близко расположенных ярких желтых линий. Если щель осветить красным светом неоновой рекламной трубки, то на экране появится ряд ярких красных линий. Здесь каждая линия – это изображение щели спектроскопа, образованное светом определенной длины волны, а полученный спектр называется линейчатым спектром испускания. Существуют спектры, состоящие из групп линий, расположенных настолько тесно, что каждая группа выглядит как узкий участок непрерывного спектра. Такие спектры называются полосатыми.
В 1802, изучая непрерывный спектр Солнца, У.Волластон заметил в нем множество тонких темных линий. Двенадцатью годами позже Й.Фраунгофер, заменив зрительную трубу в спектроскопе Волластона трубой теодолита, точно измерил угловое положение темных линий. В честь него эти линии теперь называются фраунгоферовыми линиями солнечного спектра.
В 1859 Г.Кирхгоф сформулировал свой знаменитый закон, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает. На основании этого закона Кирхгоф объяснил появление фраунгоферовых линий в непрерывном солнечном спектре тем, что газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение тех длин волн, которые соответствуют линиям испускания возбужденного газа. Поэтому на отдельных участках непрерывного солнечного спектра резко падает интенсивность и появляются темные линии. Но самое важное состоит в том, что каждый атом и каждая молекула испускают характерный только для них линейчатый спектр, что легло в основу спектроскопии.
См. также
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ в Википедии Электромагнитное излучение
В соответствии с длинами волн (l) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l, но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным.
Радиоволны. Электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 1 см до 30 000 м составляет радиоволновую часть спектра. Поскольку скорость любого электромагнитного излучения в вакууме составляет 300 000 000 м/с (c = ln), то радиоволновому интервалу соответствуют частоты примерно от 10 000 герц до 30 000 мегагерц. Излучение таких частот получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов, а для регистрации применяют резонансные радиосхемы.
Радиоволны используются в основном в системах связи и навигации. В 1932г было открыто радиоволновое излучение нашей Галактики, что в значительной мере стимулировало рождение новой науки – радиоастрономии.
Микроволновое излучение. Излучение с длинами волн примерно от 0,5 мм до 30 см (частотный интервал от 600 000 до 1000 МГц) относится к микроволновому диапазону спектра. Для генерации микроволнового излучения применяются специальные электронные лампы (клистроны). Бурное развитие микроволновая техника получила в период Второй мировой войны в связи с резко возросшими требованиями к эффективности средств связи и радиолокации. Микроволновое излучение естественных источников обусловлено главным образом вращением молекул, хотя известны и СВЧ-спектры атомов. Исследование микроволновых вращательных спектров молекул является одни из самых точных методов определения структуры молекул газа.
Инфракрасное излучение. Она открыто английским астрономом В.Гершелем в 1800г. Пользуясь простым термометром, он установил, что тепловое излучение имеет наибольшую интенсивность за пределами видимой области вблизи его красной границы. Инфракрасная область спектра начинается примерно от 0,8 мкм и простирается примерно до 1 мм. Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней ИК-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами – детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.
ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте. Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов.
Видимая область. Видимой области соответствует диапазон длин волн от 400 нм (фиолетовая граница) до 760 нм (красная граница), что составляет ничтожную часть полного электромагнитного спектра. Источниками видимого света в лаборатории обычно служат раскаленные твердые тела, электрический разряд и лазеры (обычно лазеры на красителях). Перестраиваемые лазеры на красителях позволяют перекрывать большие участки видимого спектра (например, краситель родамин 6G излучает в интервале 570–660 нм). Наиболее распространенными детекторами видимого излучения являются глаз человека, фотопластинки, фотоэлементы, фотоумножители. Видимые спектры связаны с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул и содержат важнейшую информацию об их электронной структуре.
Ультрафиолетовое излучение. Открыта в 1801г, когда И.Риттер и У.Волластон, наблюдая солнечный спектр, обнаружили, что наибольшее почернение хлорида серебра вызывается излучением, более коротковолновым, нежели фиолетовое. К УФ-области относится излучение с длинами волн от 10 до 400 нм. УФ-излучение с длинами волн короче 185 нм поглощается воздухом, поэтому приборы для этого диапазона должны быть вакуумными. Поскольку лишь немногие из обычно прозрачных веществ остаются прозрачными для «вакуумного ультрафиолета», в таких приборах применяется отражательная оптика. Для регистрации ультрафиолетового излучения используются специальные фотопластинки и фотоэлектрические детекторы. Большинство УФ-спектров связано с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул, поэтому УФ-спектроскопия применяется для исследования строения атомов.
Рентгеновское излучение. В 1895г В.Рентген, изучая электрические разряды в газах, открыл неизвестное проникающее излучение, названное им X-лучами. Из дальнейших экспериментов выяснилось, что X-лучи – это электромагнитное излучение, длинноволновая граница которого перекрывается с вакуумным ультрафиолетом, а коротковолновая составляет малую долю нанометра. Рентгеновское излучение с непрерывным спектром часто называют тормозным излучением, поскольку оно возникает при замедлении электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки.
Гамма-излучение. Гамма-излучение отличается от рентгеновского меньшей длиной волны (0,1–10–6нм) и своим происхождением. Ядро, получив в результате ядерной реакции избыточную энергию, может оказаться в возбужденном состоянии. Возвращаясь в состояние с более низкой энергией, оно отдает избыточную энергию, испуская гамма-квант. Изучение спектров гамма-излучения позволяет получить важную информацию о строении ядер и ядерных взаимодействиях, подобно тому, как оптические спектры помогают понять строение атомов и молекул и действующие в них силы.
