Электромагнитное излучение имеет двойственную природу. В одних проявлениях ведет себя как физическое поле с непрерывными свойствами (преломление, интерференция, дифракция, отражение, рассеяние), которые описываются на основе волновой природы излучения. В других случаях электромагнитное излучение проявляет себя как поток дискретных частиц (квантов), и такие явления, как испускание и поглощение атомами и молекулами, описываются на основе корпускулярной природы излучения.

 Для описания волновых свойств электромагнитное излучение удобно представить в виде электрического силового поля, колеблющегося перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 1).

К волновым характеристикам излучения относятся частота колебаний, длина волны и волновое число, к квантовым - энергия квантов.

Частота n показывает число колебаний электрического поля в 1с, измеряется в герцах (1 Гц = 1с ^-1). Частота определяется источником излучения.

Длина волны l показывает наименьшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Это линейная единица, в системе СИ измеряется в метрах (м) и его долях.

Рис. 1.Электромагнитная волна:  l - длина волны, а - амплитуда.

Произведение частоты и длины волны представляет собой скорость излучения (см / с):

C = l ·n (1)

При переходе из вакуума в другую среду скорость распространения уменьшается. То же происходит с длиной волны, поскольку частота излучения неизменна.

Волновое число n показывает число волн, приходящихся на 1 см. Если длина волны выражена в см, то

n = 1/ l (см ^-1)                                    (2)

Энергия электромагнитного излучения Е зависит от частоты излучения и определяется соотношением:

E = h n                                               (3)

где h - постоянная Планка, равная 6,62 · 10 ^-34 Дж·с.

Электромагнитный спектр

Совокупность всех частот (длин волн) электромагнитного излучения называют электромагнитным спектром. В зависимости от длины волны в электромагнитном спектре выделяют следующие участки (рис.2):

Рис.2. Области электромагнитного спектра

Протяженность отдельных областей спектра ограничивается либо способом получения излучения, либо возможностями его регистрации. Особо четкие границы можно установить для видимого света. Протяженность ультрафиолетовой (УФ) области в сторону более коротких волн резко ограничена: l = 200 нм. Ниже этого значения начинается поглощение УФ - излучения воздухом, поэтому исследования в области l < 200 нм возможны только в вакууме (так называемый вакуумный ультрафиолет).        Границы между другими областями спектра менее четкие, и сами эти области частично перекрываются.

В отдельных областях спектра используют различные единицы измерения длин волн и частоты. В области радио - и микроволн для измерения частот используют герцы, килогерцы, мегагерцы. Однако, при частотах выше 10 - 12 Гц (инфракрасная область - ИК) точность измерения частот по сравнению с точностью измерения длин волн становится неудовлетворительной. Кроме того, пропорциональность между энергией и величиной, обратной длине волны, позволяет быстро оценить энергетические характеристики, поэтому вместо частоты или длины волны удобнее использовать волновое число.

Поток фотонов с одинаковой частотой называют монохроматическим, с разными частотами - полихроматическим. Обычный наблюдаемый поток излучения от раскаленных тел, в частности, солнечный свет, является полихроматическим.

 Происхождение молекулярных спектров

При прохождении излучения через прозрачный слой твердого тела, жидкости или газа происходит селективное поглощение излучения с определенными частотами. Электромагнитная энергия в этом случае передается атомам или молекулам вещества и переводит поглощающие частицы из нормального состояния, или основного, в возбужденное.

Энергетическое строение молекулы сложнее, чем у атома. Наряду с движением электронов происходит колебательное движение ядер атомов и вращение молекулы как целого. Поэтому в любом стационарном состоянии энергия молекулы складывается из электронной, колебательной и вращательной энергий:

Е = Е_вр + Е_кол + Е_эл     (4 )         

Наибольший вклад в полную энергию вносит энергия электронных переходов, наименьший - энергия вращения молекул:

Е_вр << Е_кол << Е_эл = 1 : 10² : 10³ (5)

Так же, как и атом, молекула может существовать только в определенных энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями (орбиталями). Каждому электронному состоянию соответствуют колебательные уровни, а каждому колебательному уровню - вращательные. Любой уровень, помимо главного, побочного, магнитного и спинового, характеризуется колебательным и вращательным квантовыми числами.

При получении энергии извне молекула переходит с одного энергетического уровня на другой. У молекул, так же как и у атомов, наиболее возбудимыми являются внешние (оптические) электроны.        

В спектроскопии, как отмечалось выше, чаще используют возбуждение молекулы под действием электромагнитного поля. При этом молекула поглощает фотоны с энергией, равной разности энергий ее орбиталей. Совокупность всех поглощенных частот составляет спектр поглощения молекулы (молекулярный абсорбционный спектр). Поглощение электромагнитного излучения веществом М можно представить как двухступенчатый процесс, первая ступень которого выражается следующим образом:

М + h n ® M*                        (6)

где М*- атом или молекула в возбужденном состоянии. Время пребывания в возбужденном состоянии невелико (10 ^-9 - 10 ^-8с); частицы возвращаются в исходное состояние в результате какого - либо релаксационного процесса. Наиболее известным видом релаксации является превращение энергии возбуждения в тепло:

М* ® М + тепло                             (7)

Релаксация может произойти в результате разрушения М* с образованием новых веществ - фотохимическая реакция, а также при переходе в невозбужденное состояние с выделением фотона - флуоресценция и фосфоресценция. Эти процессы объединяют под общим названием люминесценция:

М* ®  М + h n                                         (8)

Важно иметь в виду, что время жизни частиц М* обычно столь мало, что концентрация их в любой момент времени при нормальных условиях ничтожна. Более того, количество выделяющегося тепла неощутимо. Вследствие этого облучение системы при ее изучении сопровождается минимальным разрушением, что является преимуществом абсорбционных методов.

Возбуждение молекул другими видами энергии, например, в плазме, не применяют, так как большинство веществ в этих условиях разлагается.