Priroda elektromagnetskog zračenja (EMZ)
Elektromagnetsko zračenje (EMZ), čiji manji dio čini vidljiva svjetlost,
ima dvojnu (dualnu) prirodu, valnu i čestičnu (korpuskularnu). To
zapravo znači da se neka svojstva EMZ mogu objasniti isključivo
njegovom valnom prirodom, a druga isključivo pretpostavkom da je
EMZ sastavljeno od čestica.
Valna priroda EMZ
EMZ može se razmatrati kao električno i magnetsko polje koje se
širi pravocrtno od izvora u obliku harmonijskog vala (sinusoide).
Na Slici 1.1 je dan prikaz EMZ i vidi se da su električno i magnetsko
polje te smjer širenja međusobno okomiti.
Slika 1.1: Prikaz
električne i magnetske komponente monokromatskog EMZ
Dvodimenzionalni prikaz električne komponente sa Slike 1.1. prikazan
je na Slici 1.2., gdje su naznačeni i parametri koji su bitni za
kasniju raspravu o primjeni spektrometrije. Apscisa (os x) na ovoj
slici može biti (a) udaljenost, uz uvjet da je vrijeme konstantno
ili (b) vrijeme za koje val prolazi pored fiksne točke u prostoru.
Slika 1.2. Dvodimenzinalni
prikaz električne komponente EMZ
Amplituda, A,
sinusoidalnog vala je duljina električnog vektora u maksimumu vala.
Udaljenost između dvije susjedne ekvivalentne točke vala, primjerice
dva maksimuma, zove se valna duljina, l.
Valni broj, s,
predstavlja recipročnu vrijednost valne duljine, dakle 1
/ l ,
jednadžba (1.1). Ako na apscisi umjesto duljine imamo vrijeme, onda
možemo analogno valnoj duljini definirati period, p,
kao vrijeme potrebno da val prođe dvije susjedne ekvivalentne točke,
recimo dva maksimuma. Frekvencija, n,
je broj oscilacija vala u jedinici vremena i jednak je 1 / p,
jednadžba (1.2). Brzina širenja vala, v, definirana
je kao umnožak valne duljine i frekvencije, jednadžba (1.3)
|
s = 1 /
l
|
(1.1)
|
|
|
|
n = 1 /
p
|
(1.2)
|
|
|
|
v = l
n
|
(1.3)
|
Za razliku od zvučnih valova ili valova na
vodi, EMZ može se širiti i kroz vakuum. Važno je primjetiti da valna
duljina (odnosno valni broj), te brzina širenja vala ovise o mediju
kroz koji prolazi val. Tako se EMZ u vakuumu širi najvećom mogućom
brzinom, brzinom svjetlosti c, koja iznosi 2.997925 108
m s-1. U drugim medijima brzina EMZ je
manja: ako je medij zrak brzina je manja za oko 0.03 %, a ako
je medij staklo, brzina širenja EMZ iznosi manje od 30 % brzine
širenja svjetlosti u vakuumu. S druge strane, frekvencija (odnosno
period) vala ovise isključivo o izvoru zračenja i ostaju nepromjenjni
bez obzira na medij.
Valna priroda EMZ može
se dokazati jednostavnim pokusom za koji je potreban izvor EMZ,
dvije paralelne uske pukotine te zastor. Prolazom svjetlosti, dakle
EMZ, kroz pukotine na zastoru nećemo opaziti projekcije tih pukotina
(dvije svijetle pruge). Dobit ćemo umjesto toga niz svijetlih i
tamnih pruga, što se može protumačiti rapršenjem valova EMZ na pukotinama.
Raspršeni valovi se zbrajanjem pojačavaju ili oslabljuju, ovisno
o valnoj duljinil i razlici u duljini puta do neke točke na zastoru.
Ukoliko se primjerice maksimum jednog vala prekrije s maksimumom
drugog vala (razlika u duljini puta je cjelobrojni višekratnik
l) valovi će se maksimalno
pojačati i na zastoru ćemo dobit svijetlu prugu. Ako se pak maksimum
jednog vala prekrije s minimumom drugog (razlika u duljini puta
je višekratnik l
/ 2) posljedica je tamna pruga na zastoru.
Čestična priroda EMZ
Čestična (korpuskularna) priroda
EMZ dolazi do izražaja prilikom interakcije EMZ i tvari. Promatra
li se vrlo slabi snop svjetlosti, tj. EMZ, usmjeren prema fotografskoj
ploči ili tvari osjetljivoj na svjetlo, mogu se opaziti male svijetle
točke kao posljedice pojedinačnih udara čestica EMZ. Čestice EMZ
nazivanju se fotoni i nemaju masu, a najlakše se mogu predočiti
kao sićušni paketići energije.
Odnos između energije fotona, E, i frekvencije
titranja EMZ dan je jednadžbom (1.4), gdje je h Planckova
konstanta (6.63 10-34 J s). Ako u (1.4)
uvrstimo jednadžbu (1.3) i pretpostavimo da je medij kojim se širi
EMZ vakuum, dakle brzina v jednaka je brzini svjetlosti c,
tada možemo izvesti ovisnost energije fotona o valnoj duljini EMZ,
jednadžba (1.5). Isto tako uvrštenjem (1.2) u (1.5) dobivamo odnos
energije fotona i valnog broja, jednadžba (1.6). Iz jednadžbi (1.4)
(1.6) se vidi da energija pojedinog fotona raste s porastom frekvencije
odnosno valnog broja, a pada s porastom valne duljine.
|
E = h n
|
(1.4)
|
|
|
|
E = h c / l
|
(1.5)
|
|
|
|
E = h c s
|
(1.6)
|
EMZ može imati veću ili manju energiju ovisno o broju fotona koji
padnu na neku površinu u određenom vremenu, no ukoliko se valna
duljina (frekvencija, valni broj) EMZ ne mijenja, energija po fotonu
će ostati ista. Ovo svojstvo omogućava primjenu spektrometrije
u analizi svojstava tvari.
|
