电磁辐射的基本性质介绍

一、电磁辐射的粒子说和波动说

    我们对电磁辐射两重性的认识争论了很久, 有两种说法: 一是粒子说, 把光看成微粒子, 认为光与物质相互作用的现象( 如吸收、发射、反射等) 表明光是具有不连续能量的微粒( 光子) , 光具有粒子性; 二是波动说, 把光看成一种波, 它可以反射、衍射、干涉、折射、散射、传播等, 它可用速度、频率、波长等参数来描述, 这表明光具有波的性质。
    到20 世纪初, 普朗克( Planck ) 提出了量子论, 把电磁辐射的粒子说和波动说联系起来了。并提出了光量子( 即光子) 能量与电磁辐射的频率有关,  普朗克的量子论真正把粒子说的光子能量与波动说的辐射频率( 波长) 联系起来了。用式( 2-2 ) , 可以方便地计算出各种频率或各种波长光子的能量。如紫外区在200nm 和可见区在500 nm 这两个波长处光子的能量分别如下。

    波长与能量成反比。也就是说, 波长越短, 能量越大。这也是我们为什么要特别注意紫外可见分光光度计短波处(220nm) 的杂散光的理由。

二、电磁辐射波段的能量范围和各种波谱法

    前面已经指出了光既是粒子又是一种电磁波。它们之间的区别仅在于频率(波长) 不同, 若按频率(波长) 的大小顺序, 把电磁波排成一个谱( 电磁波谱) 。不同波段的电磁波, 产生的方法和引起的作用各不相同, 因此, 出现了各种波谱法。

三、紫外可见吸收光谱的形成

    原子或分子中的电子, 总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的能量, 属于一定的能级。这些电子由于各种原因, 如光、热、电等的激发, 放出光或放出热, 而从一个能级转移到另一个能级, 称之为跃迁。当这些电子吸收了外来辐射的能量后, 就会从能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。因此, 每一跃迁都对应着吸收一定的能量( 一定波长) 的辐射。谱线的频率(ν) 或波长(λ) 与跃迁前后两个能级的能量差ΔE = E2 - E1 之间的关系服从普朗克( Planck) 条件, 即

    物质的分子吸收光谱形成的机理, 就是由于能级之间的跃迁所引起的。因为分子内部运动所涉及到的能级变化比较复杂, 所以, 分子的吸收光谱也比较复杂。一个分子的总能量E 可以认为是内在能量E0 、平动能E平、振动能E振、转动能E转以及电子运动能量E电子的总和, 即

    由此可知, 由于分子内部电子能级的变化而产生的光谱在紫外区或可见区内。分子的振动能级间隔ΔE转大约比ΔE电子小十倍, 一般在0. 05～ 1eV 之间。设ΔE转为0. 1eV, 则为5eV 的电子能级间隔的2%。当发生电子能级之间的跃迁时, 不可避免的要发生振动能级之间的跃迁, 因此, 得到的不只是一条波长为249 nm 的谱线, 而是一系列谱线, 其波长间隔为249nm× 2% =4. 98 nm。
    分子的转动能级间隔ΔE转大约比ΔE振小十倍或百倍, 一般小于0. 05eV,也可以小到10 - 4 eV 以下。设ΔE转为0. 1eV, 则为5eV 的电子能级间隔的2%。设ΔE转为0. 005eV, 则为5eV 的电子能级间隔的0. 1%。当发生电子能级之间的跃迁和振动能级之间的跃迁时, 也不可避免的要发生转动能级之间的跃迁。因此, 得到的谱线彼此间的波长间隔只有249nm×0. 1% = 0. 249nm。由于彼此间的波长间隔太小, 因此它们就连在一起, 呈现带状, 称为带状光谱。分子的能级示意如图2-1 所示。

     在同一电子能级和同一振动能级中,还因转动能量不同而分为若干J = 0 , 1 , 2 , 3转动能级。
    一些物质会呈现特征的颜色, 这是由于它们对可见光中某些特定波长的光线选择吸收的缘故。实际上, 一切物质都会对可见光和不可见光中的某些波长的光线进行吸收。但是, 一切光线并不都是以相同的程度被物质吸收的。物质对不同波长的光线表现不同的吸收能力, 叫做选择性吸收。据前所述, 物质只能有选择地吸收那些能量相当于该分子振动能变化ΔE振、转动能变化ΔE转以及电子运动能量变化ΔE电子总和的辐射。各物质分子的能级是千差万别的,因此, 它们内部各种能级之间的间隔也是不同的。所以, 各种物质对光线的选
择吸收这一性质, 反映了它们分子内部结构的差异; 即各种物质的内部结构决定了它们对不同光线的选择吸收。因此, 研究各种物质的吸收光谱, 可以为研究它们的内部结构提供重要信息。