фотонами, СПЕКТРИ І КОЛІР
В
I . Електромагнітне випромінювання
Електромагнітне випромінювання являє собою потік особливих частинок - фотонів (photon = В«СветонВ» по-російськи). Ці частинки, які прийнято позначати символом Оі (або hn), весь час летять з величезною швидкістю c = 300 000 км/с = 3.10 10 см/с у вакуумі (дещо повільніше в прозорих конденсованих середовищах). Напрямок руху і швидкість являють собою вектор швидкості, який є фундаментальним властивістю (Атрибутом) фотона (при цьому швидкість і напрямок, як правило, незалежні). Фотон володіє електричним і магнітним полями, які здійснюють протифазні гармонійні коливання перпендикулярно напрямку польоту фотона з частотою n (Гц = з - 1 ). Ця частота незмінна і є атрибутом фотона. p> За період (тобто за час одного коливання) фотон пролітає у вакуумі відстань l = c/n, яке називається В«довжина хвиліВ». Довжині хвилі 550 нм (це найбільш яскравий колір для нашого ока) відповідає частота 5,455 В· 10 14 Гц = 545,5 ТГц. Умовно можна вважати, що розмір фотона дорівнює (відповідає) величиною l.
В
Рис. 1. Схема руху фотона.
- фотон і його спіральна траєкторія; - вектор швидкості фотона; - Вектор напруженості магнітного поля; - вектор напруженості електричного поля фотона; l - довжина хвилі.
На рис. 1 показана схема руху фотона. Площина коливань вектора H називається площиною поляризації або просто поляризацією фотона; площину коливань вектора E так і називається - площина коливань. У вакуумі ці площини фіксовані (незмінні) в просторі, тому поляризація є одним з атрибутів фотона.
Якщо провести криву через суму векторів H і E (сума векторів дорівнює діагоналі прямокутника, сторонами якого є доданки вектора) вийде спіраль, закручена або за годинниковою стрілкою (права спіраль), або проти годинникової стрілки (як на рис. 1, ліва спіраль). Ці дві можливі просторові траєкторії відповідають квантово-механічні властивості елементарних частинок, яке називається В«спінВ» і яке у фотона має 2 стану (В± 1). Спін і відповідне спіральність представляють собою важливе фундаментальна властивість фотона. Найважливішим атрибутом фотона є його енергія: E Оі = h В· n = h В· c/l; тут h = 6,626 В· 10 - 34 Дж В· с - фундаментальна фізична константа, яка називається В«постійна ПланкаВ»; c - швидкість світла у вакуумі.
Енергії фотонів видимого світла розташовані в діапазоні від ~ 160 кДж/моль (далекий червоне світло) до ~ 310 кДж/моль (далекий фіолетове світло). Для l = 550 нм (див. вище) E Оі = N A В· 3,614 В· 10 -19 Дж/(моль g) = ~ 218 кДж/моль (N A = 6,022 В· 10 23 моль -1 - Число Авогадро). p> Для порівняння В«умовно середня В»енергія гамма-квантів (фотонів гамма-випромінювання) близько 5 в€™ 10 11 Дж/моль = 500000000 кДж/моль (!), А енергія, що виділяється при окисленні глюкози до CO 2 і H 2 0, складає ~ 2870 кДж/моль [1], проте в організмі велика частина (~ 60%) цієї енергії розсіюється (переходить у тепло) і запас хімічної енергії складає ~ 1145 кДж/моль глюкози - це 36 молекул АТФ з енергією гідролізу ~ 31,8 кДж/моль АТФ.
Таким чином, існує 5 фундаментальних властивостей фотона: швидкість, напрямок, поляризація, енергія (або сполучена частота) і спін (або сполучена спіральність).
Монохромне (Монохроматичне) і гетерохромное випромінювання. Колір. p> Потік фотонів з приблизно однаковими значеннями n називається монохроматичним (або монохромним) випромінюванням (однокольорове випромінювання по-російськи). У видимому діапазоні воно сприймається як пофарбований світловий потік. Колір однозначно визначається енергією (або сполученої частотою) фотонів, що дозволяє приписати фотону колір відповідного монохромного випромінювання. Найбільш чисті монохромні лінії випромінювання дають лазери: напівширина (тобто ширина на половині висоти) лінії випускання гелій-неонового лазера менше 0,01 нм (рис. 2). Лазерні фотони, крім того, мають однакові напрямки і поляризації, тобто практично ідентичні. Таке випромінювання називається когерентним. br/>В
Рис. 2. Спектри випускання трьох типів джерел фотонів оптичного діапазону електромагнітного випромінювання.
ГНЛ - гелій-неоновий лазер: монохроматичне випромінювання при 632,8 нм; ДЛР - дугова ртутна лампа (Високого тиску): лінійчатий (дискретний) спектр (показаний його вигляд в спектроскопі і відповідний графік із зазначенням довжин хвиль деяких ліній люмінесценції парів ртуті); РТ - розпечені тіла (сонце, лампа розжарювання): суцільний (безперервний) спектр випромінювання.
Однак найбільш поширені джерела електромагнітного випромінюван...
