Электромагнитные излучения.
1. Источники и характеристики электромагнитных излучений.
Спектр электромагнитных колебаний по частоте охватывает свыше 20 порядков, от 5·10 -3 до 10 21 Гц. В зависимости от энергии фотонов его подразделяют на область неионизирующих и ионизирующих излучений. В гигиенической практике к неионизирующим излучениям относят также электрические и магнитные поля.
Источниками электромагнитных полей являются: атмосферное электричество, радиоизлучения солнца и галактик, квазистатические, электрические и магнитные поля земли, искусственные источники.
Искусственными источниками являются индукторы, конденсаторы, фидерные линии, трансформаторы, антенны, фланцевые соединения волновых трактов, открытые концы волноводов, генераторы и т.д.
Линии электропередач напряжением до 1150 кВ, открытые распределительные устройства, включающие коммутационные аппараты, устройства защиты и автоматики, измерительные приборы, соединительные шины и вспомогательные устройства являются источниками электрических полей промышленной частоты.
Источниками постоянных магнитных полей являются: электромагниты, соленоиды, импульсные установки, магниты.
Электромагнитное поле, создаваемое источниками, характеризуется непрерывным распределением в пространстве, способностью распространяться со скоростью света, воздействовать на заряженные частицы и токи, вследствие сего энергия поля преобразуется в другие виды энергии. Переменное электромагнитное поле является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей – электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующими векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м). При распространении электромагнитной волны в проводящей среде векторы Е и Н связаны соотношением
Где ω-круговая частота электромагнитных колебаний; μ-магнитная проницаемость этого вещества; ν-удельная электропроводность вещества экрана; k=√¯ωνμ/2-коэффициент затухания; z-глубина проникновения электромагнитного поля в экран.
При распространении в вакууме или в воздухе Е=377Н. Фазы колебания векторов Е и Н происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях.
В зависимости от длины волны, генерируемой источниками, весь радиодиапазон электромагнитных полей разбит на поддиапазоны:
-высокие частоты (ВЧ) 100 кГц-30МГц – длина волны 3 км – 10 м;
-ультравысокие частоты (УВЧ) 30-300 МГц – 10 м -1 м;
-сверхвысокие частоты (СВЧ) 300 МГц- 300 ГГц и делятся на:
дециметровые 1 м -10 см
сантиметровые 10 см- 1 см
миллиметровые 1 см – 1 мм.
Длина волны λ (м) связана с частотой f (Гц) соотношением волн λf=υ, где υ- скорость распространения электромагнитных волн, равная υ=с/√¯με, (с- скорость света, μ и ε – магнитная и диэлектрическая проницаемость среды) Для воздуха ν≈с. Электромагнитное поле несет энергию, определяемую плотностью (Вт/м 2 ) потока мощности (энергии) I=ЕН, которая показывает какое количество энергии протекает за 1 с сквозь площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно движению волны. При излучении сферических волн плотность потока энергии может быть выражена через мощность, подводимую к излучателю Рист:
I=Рист/4πr 2 = ЕН = Е 2 /377,
откуда напряженность электрического поля (В/м) Е=√¯30Рист/r, где r-расстояние до источника излучения.
Большую часть спектра неионизирующих электромагнитных излучений составляют радиоволны (3 Гц…3000 ГГц), меньшую часть – колебания оптического диапазона (инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое).
Инфракрасное излучение (ИК) – часть ЭМИ с длиной волны от 780 нм до 1000 мкм. С учетом особенностей биологического действия ИК диапазон подразделяют на три области: ИК-А (780…1400 нм), ИК-В (1400…3000 нм) и ИК-С (3000 нм…1000 мкм). Наиболее активно коротковолновое ИК излучение, так как оно обладает наибольшей энергией фотонов, способно проникать в ткани организма и интенсивно поглощаться водой, содержащейся в тканях.
Видимое излучение – диапазон электромагнитных колебаний от 780 нм до 400 нм.
Ультрафиолетовое излучение (УФИ) – спектр ЭМИ с длиной волны от 400 нм до 200 нм. По биологическому эффекту выделяют три области УФИ: УФА – с длиной волны 400-315 нм, отличается сравнительно слабым биологическим действием; УФВ – с длиной волны 315-280 нм, способствует возникновению загара, а также защите малышей от заболевания рахитом; УФС – с длиной волны 280-200 нм, активно действует на белки и жиры, обладает выраженным бактерицидным (обеззараживающим) действием.
Кроме этого к ЭМИ относится лазерное излучение – особый вид ЭМИ, генерируемый в диапазоне длин волн 0,1…1000 мкм. Отличие ЛИ от других видов Эмми заключается в монохроматичности (строго одной длины волны), когерентности (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе) и острой направленности луча. При оценке биологического действия ЛИ следует различать прямое (заключенное в ограниченном телесном угле), рассеянное (от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч), диффузно отраженное (по возможным направлениям).
Воздействие электромагнитных излучений оптического диапазона на организм человека Текст научной статьи по специальности «Математика»
Текст научной работы на тему «Воздействие электромагнитных излучений оптического диапазона на организм человека»
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
В.М. Усков, профессор, д.м.н., профессор, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж,
М.В. Усков, к.м.н., ординатор, «Воронежская городская клиническая поликлиника № 1»
В современных условиях наблюдается антропогенное изменение воздействия электромагнитных излучений оптического диапазона: уменьшение озонового слоя, служащим естественным фильтром на пути вредного воздействия ультрафиолетового излучения, интенсивное применение в быту энергосберегающие лампы, которые по интенсивности ультрафиолетового излучения сравнимы с воздействием солнца в погожий день [1, 2].
Целью работы явилось изучение влияния ультрафиолетового света на организм человека, как важнейшего экологического фактора.
Биологически активен весь диапазон оптического излучения (200 — 800 нм), но наиболее острые эффекты вызываются ультрафиолетовым светом (200 — 400 нм). В фотомедицине принято разделять УФ-днапазон на три спектральные области: УФ-А (320 — 400 нм), УФ-В (280 — 320 нм) и УФ-С (длины волн короче 280 нм). Это разделение основывается в первую очередь на регистрации спектров действия эритемы (рис. 1). Как видно из рис. 1 форма спектра действия УФ-эритемы сильно зависит от интервала времени между окончанием облучения и наблюдением покраснения. Обычно измерение спектров действия преследует несколько целей.
Рис. 1. Спектры действия эритемы, зарегистрированные через разное время после УФ-облучения кожи: 1 — 8 часов после облучения, 2 — 24 часа, 3 — 10 суток
Практическая ценность знания формы спектра действия заключается в том, что она дает информацию о наиболее эффективных для индукции данного фотобиологического процесса длинах волн. Теоретически по форме спектра действия можно получить информацию о том, какая молекула-хромофор поглотает кванты света, запускающие данный фотобиологический процесс, так
260 280 300 320
как форма спектра действия определяется формой спектра поглощения молекулы-хромофора. К сожалению, спектры действия эритемы не так просто использовать для определения природы молекул-хромофоров. Дело в том, что фотохимические реакции, ответственные за возникновение эритемы, протекают в глубине эпидермиса. На пути ультрафиолетового света к молекулам-хромофорам лежит поверхностный роговой слой, обладающий значительным поглощением в ультрафиолетовом свете из-за высокого содержания в нем белков и нуклеиновых кислот, который выполняет функцию светофильтра. В результате оптического экранирования происходят искажения спектра действия эритемы, и он уже не совпадает со спектром поглощения молекул-хромофоров. К тому же сама по себе форма спектра действия изменчива и зависит от времени, прошедшего между облучением и регистрацией эритемы.
Ультрафиолетовое излучение помимо эритемы вызывает гиперпигментацию кожи — загар. Загар является замедленным процессом и начинает развиваться в коже через 2-3 суток после облучения, достигает максимума на 13 — 21-й день и затем угасает за несколько месяцев. Спектр действия загара похож на спектр действия эритемы, то есть наиболее эффективно опять же УФ-В-излучение. Ультрафиолетовое излучение запускает сложную цепь реакций биосинтеза меланина в специализированных клетках — меланоцитах.
Появление меланина в коже является важной защитной реакцией организма. В настоящее время установлено как минимум три механизма защитного действия меланина. Во-первых, меланин служит оптическим экраном, поглощающим ультрафиолетовый свет, таким образом, он физически защищает клетки кожи от пагубного действия ультрафиолетового излучения. Другие два механизма -химические. Дело в том, что под действием ультрафиолетового облучения в коже образуются свободные радикалы, запускающие, в частности, цепные реакции пероксидного окисления липидов. Так, с одной стороны, меланин является эффективным перехватчиком свободных радикалов и за счет этого он обрывает цепные реакции окисления. С другой стороны, меланин способен связывать (хелатировать) ионы двухвалентного железа. Роль ионов двухвалентного железа заключается в том, что они разрушают пероксиды с образованием свободных радикалов. Хелатированное меланином железо уже не может участвовать в реакциях разветвления [3].
Сказанное имеет практический смысл. Попав на пляж весной, нельзя забывать, что кожа за зиму утратила меланиновую защиту. Поэтому первые несколько дней не следует злоупотреблять солнечными ваннами. Минимальная доза ультрафиолетового облучения, запускающая меланогенез, примерно вдвое ниже минимальной эритемной дозой (минимальное, обнаруживаемое глазом покраснение). Поэтому в первые дни следует загорать недолго, так, чтобы эритема еще не возникла, а образование пигмента уже инициировалось. И только через несколько дней, накопив в коже меланин, можно постепенно увеличивать время пребывания под солнцем. Но все же злоупотреблять пребыванием на солнечном свету не следует и после появления загара. Ультрафиолетовый свет, и в первую очередь УФ-В, вызывает не только красивую пигментацию кожи, но и
нежелательные эффекты. У людей, хронически подвергающихся действию солнечного света, происходит преждевременное старение кожи, на открытых участках тела появляются морщины, особенно на шее, руках, груди. Последствием хронического облучения может стать рак кожи. Наиболее канцероопасным является УФ-В-излучение.
Таким образом, ультрафиолетовое излучение вызывает у человека многочисленные фотобиологические эффекты. В разумных дозах это излучение необходимо человеку и является нормальным экологическим фактором. В ходе эволюции выработались приспособления для полезного использования световой энергии. Какие-либо изменения спектрального состава света могут вызвать патологические реакции. Так при больших дозах ультрафиолетового облучения, особенно УФ-В, резко возрастают неблагоприятные эффекты. Стратосферный озон определяет коротковолновую границу солнечного ультрафиолетового излучения. Если будет разрушен стратосферный озон, то население Земли столкнется с резким усилением вредных эффектов ультрафиолетового облучения.
Список использованной литературы
1. Усков В.М., Болдырева О.Н., Усков М.В., Усков В.В. Состояние экологических систем при воздействии загрязнённого атмосферного воздуха. Фундаментальные проблемы системной безопасности. Материалы V Международной научной конференции, посвящённой 90-летию со дня рождения выдающегося учёного, генерального конструктора ракетно-космических систем академика В.Ф. Уткина. Елец, 2014. С. 416-420.
2. Усков В.М., Болдырева О.Н., Усков М.В., Усков В.В. Анализ оценки риска для человека и окружающей среды при воздействии экстремальных ситуаций. Фундаментальные проблемы системной безопасности. Материалы V Международной научной конференции, посвящённой 90-летию со дня рождения выдающегося учёного, генерального конструктора ракетно-космических систем академика В.Ф. Уткина. Елец, 2014. С. 420-423.
3. Усков В.М., Сапожникова Н.Г. Влияние воздействие гелиомагнитных излучений на оболочки земли и на организм человека. Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Сборник 7 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 28-29 апреля 2016 г. Ч. 1. ФГБОУ ВО ВИ ГПС МЧС России. Воронеж. 2016. С.353-356.
Спектр электромагнитного излучения
Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.
После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.
Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10 –9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.
Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.
Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.
После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. Постоянная Планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):
Радиоволны
Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.
Микроволны
Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.
Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.
Инфракрасные лучи
Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.
Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Видимый свет
Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.
Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.
Ультрафиолетовые лучи
К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.
Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. Озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.
Рентгеновские лучи
Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)
Гамма-лучи
Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.
В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.
Спектр электромагнитных колебаний с длиной волны 200 400 нм
Спектроскопические методы анализа основаны на способности атомов и молекул вещества испускать, поглощать или рассеивать электромагнитное излучение.
В зависимости от частиц, формирующих аналитический сигнал, различают методы молекулярной и атомной спектроскопии, а в зависимости от характера формирования аналитического сигнала – эмиссионные, абсорбционные и люминесцентные методы.
Электромагнитное излучение – вид энергии, распространяющейся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, которая может выступать в форме ультрафиолетового, видимого, инфракрасного излучения, микро- и радиоволн, гамма- и рентгеновских лучей.
Электромагнитное излучение имеет двойственную природу (волновую и квантовую), поэтому может быть охарактеризовано волновыми (длина волны – λ, частота колебаний – ν, волновое число – ) и квантовой (энергия кванта – Е) характеристиками.
Длина волны λ – расстояние, которое проходит электромагнитная волна за время одного периода. В СИ измеряется в метрах (м) и его долях − сантиметрах (см), миллиметрах (мм), нанометрах (1 нм = 10 – 9 м). До введения СИ длину волны выражали в ангстремах (1 Å = 0,1 нм = 10 –10 м).
Период Т – время (с), в течение которого совершается полный цикл изменения напряженности электромагнитного поля.
Частота колебаний ν – число колебаний в секунду. Измеряется в герцах (Гц), килогерцах (1 кГц = 10 3 Гц), мегагерцах (1 мГц = 10 6 Гц) и т. д.
Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением:
где с — скорость света (3·10 10 см/с).
Волновое число – величина, обратная длине волны. Обычно измеряется в обратных сантиметрах (см –1 ).
Энергия Е единичного кванта связана с длиной волны или частотой электромагнитного излучения уравнением Планка:
где: h – постоянная Планка (6,62 · 10 –34 Дж ·с).
Уравнение показывает: чем меньше длина волны излучения, тем больше энергия (Е) единичного кванта.
Излучение называется монохроматическим, если его фотоны имеют одну и ту же энергию. Полихроматическое излучение состоит из фотонов различной энергии. Распределение интенсивности полихроматического излучения по длинам волн (энергиям, частотам) называется спектром.
Спектроскопические методы анализа позволяют получать и исследовать сигналы в различных областях спектра электромагнитных волн: от коротких рентгеновских до длинных радиоволн. С отдельными областями электромагнитного спектра связаны различные методы анализа. В табл. 3.1 приведены обзор спектроскопических методов анализа, их связь с соответствующими областями электромагнитного спектра и характером процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом.
В химическом анализе наиболее широко используется оптический диапазон электромагнитного спектра. Он состоит из трех областей: ультрафиолетовой (УФ) – 200–400 нм; видимой – 400–800 нм; инфракрасной (ИК) – 800–40 000 нм. Иногда методы анализа, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн, называют оптическими.
Область электромагнит-ного спектра