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.

Spektrometrija
Uvod
Priroda
elektromagnetskog
zračenja

Interakcija EMZ i tvari
Literatura

Povijest spektrometrije
Spektar sunčevih zraka
Priroda svjetlosnih
zraka
Razvoj spektralne
analize
Literatura


copyright 1999-2000 e_škola_________kemija webmaster
geografija kemija biologija astronomija fizika back