1.电磁辐射的波动性
电磁辐射的传播,具有波动性(称为电磁波)和粒子性(称为光子)。根据麦克斯韦(Maxwell)的理论,电磁波是在空间传播的交变电场和磁场,如图1-1所示。其波动性质可以用速度(光速c)、频率(波长)和强距离x度等参数来加以描述。不同的电磁波具有不同的频率(ν)或波长(λ),它们之间的关系在真空中可用下式表述:
图1 电磁波的电场矢量E和磁场矢量
(1)周期T相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔,单位为秒(s)
(2)频率(frequency)ν(f)单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数目,即单位时间内电磁辐射振动的次数。
ν=N/t
式中,N是电磁辐射振动周数;t是时间。
频率的单位为赫兹(Hz)、千赫兹(kHz)、兆赫兹(MHz)等,其符号及相应的SI单位第的倍数如下:
单位符号 | SI单位的倍数 |
Hz:s-1 | 1 |
kHz:ms-1 | 103 |
MHz:μs-1 | 106 |
GHz:ns-1 | 109 |
THz:ps-1 | 1012 |
PHz:fs-1 | 1015 |
(3)波长(wavelength)λ 在周期波传播方向上相邻两波同相位点间的距离。为了方便起见,通常在波形的极大值或极小值处进行测量(图2)。
单位:米(m)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米(μm)、纳米(nm)、皮米(pm)、埃(Å)。单位换算:
1m=102cm=103mm=106μm=109nm=1012pm=1010Å。
图2 测量波长示意图
(4)波数(wave number)ṽ或σ每厘米中所含波长的数目,即等于波长的倒数:ṽ=1/λ或σ=1/λ。单位:常用K(kayser)来表示,即cm-1(每厘米)。若波长以μm为单位,波数与波长的换算为:
(5)传播速度(v) 电磁辐射的传播速度V等于频率ν乘以波长λ:
v=λν
电磁波通过不同介质时,频率不变而波长要发生改变。光波在真空中的传播速度与频率无关,速度以c表示,并达到最大值为2.99792458×1010cm/s,通常取三位有效数字,可以表示为:c=λv=3.00×108m/s=3.00×1010cm/s
电磁波在空气中的传播速度与真空传播速度略有差别,所以同一波长在真空谱线表与空气谱线表中略有区别。然而此相差不大,因此通常也用这一公式来表述频率与波长在空气中的关系。
2.电磁辐射的微粒性
电磁辐射具有不同的能量,它与物质之间的能量交换,物质对电磁辐射的吸收或发射现象的依据是其粒子性——光子,可以看作能量不连续的量子化粒子流,即光子的作用。
(1)光子的能量光子的能量正比于电磁辐射的频率v这种电磁辐射的能量变化,与频率或波长的关系可用下式表述:
式中,E为电磁辐射的量子化能量(eV);h为普朗克(Planck)常数(6.623×10-34Js);c为光速;λ为波长(nm)
电磁辐射与物质之间的能量交换,光电子换能器对辐射强度的测定均与光的粒子性相关。光谱仪器正是利用光电池、光电倍增管或各种固体检测器与光子的能量交换来测定光的强度。
(2)能量单位的换算 见表1。
表1 能量单位换算表
项目 | J | eV | erg① | cal② |
1焦(J) 1电子伏特(eV) 1尔格(erg)① 1卡(cal)① | 1 1.602×10-19 10-7 4.184 | 6.241×1018 1 6.241×1011 2.612×1019 | 107 1.602×10-12 1 4.184×107 | 0.2390 3.829×10-20 2.390×10-8 1 |
①erg、cal为非需用单位,为便于与早期文献资料核对,暂加以保留。