Как определить спектральный диапазон

Оптические спектры.

Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) — является совокупностью каждого из значений любой физической величины, которая характеризует систему либо процесс.

Зачастую используют определения частотного спектра колебаний (например, электромагнитных), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным и дискретным (прерывистым).

Оптические спектры — это спектры электромагнитных излучений в ИК, видимом и UF диапазонах длин волн. Оптические спектры делятся на спектры испуска­ния, спектры поглощения (абсорбционные спектры), спектры рассеяния и спектры отражения.

Оптические спектры получают от источников света при разложении их излучения по длинам волн λ (либо частотам v = c/ λ, либо волновым числам 1/λ =v/c, которые также обозначаются как v) при помощи спектральных приборов. Чтоб охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится спектральная плотность излучения I (v), которая равна интенсивности излучения I, которая приходится на единичный интервал частот (интенсивность излучения I является плотностью потока электромаг­нитного излучения, приходящегося на все частоты). Интенсивность излучения, которая приходится на маленький спектральный интервал Δv, равна I (v)Δv. Просуммировав подобные выражения по всем частотам спектра, получаем плотность потока излучения I.

Виды спектров .

Спектральный состав излучения веществ очень разнообразен, но не­смотря на это, каждый спектр делится на 3 типа:

• непрерыв­ные спектры,
• линейчатые спектры,
• полосатые спектры.

Непрерывные спектры, либо сплошные спектры, как видно из опытов, дают тела, которые находятся в твердом либо жидком состоянии, или очень сжатые газы. Что бы получить непрерывный спектр, тело необходимо нагреть до большой температуры.

Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в большой степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

На рисунке вы видите кривую зависимости спектральной плот­ности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с сильно черной поверхностью. У кривой есть максимум при частоте v_max, которая зависит от температуры тела. С увеличением температуры максимум энергии излучения сдвигается к боль­шим частотам. Энергия излучения, которая приходится на очень маленькие (v → 0) и очень большие (v → ∞) частоты, весьма мала. В сплошном спектре представлены каждая из длин волн.

Линейчатые спектры складываются из отдельных спектральных линий, это признак того, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Все линии имеют конечную длину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В таком случае излучают атомы, которые не взаимодействуют друг с другом. Это фунда­ментальный, самый основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов. Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода.

Спектральные закономерности в спектре атома водорода.

Каждая частота излучений атома водо­рода составляет ряд серий, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энерге­тических состояний из всех верхних энергетических состояний, то есть состояний с большей энер­гией, используя терминологию спектроскопии — переходов электрона с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни.

.

На рисунке а) вы можете увидеть переходы на 2-ой возбужденный энергетический уровень, которые составляют серию Бальмера, частоты излучения которой находятся в ви­димой области спектра. Серия имеет название по имени швейцарского учителя И. Бальмера, который еще в 1885 году основываясь на результатах экспериментов вывел формулу для определения частот видимой части спектра водорода:

R — постоянная Ридберга, которая определена из спектральных данных и позже вычисленная основываясь на теории атома Бора.

В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с -1 , а вол­новое число, которое равно обратному значению длины волны 1/λ и которое измеряется в м — 1 .

Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменате­ле первой дроби в формуле необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.

Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При по­мощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.

Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 10 — 5 см), и поглощает остальные.

Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.

Таким образом, если пропускать белый свет через холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерыв­ного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, которые образуют в совокуп­ности спектр поглощения.

Спектральные диапазоны

Получение данных ДЗЗ основано на изучении физических процессов, происходящих при взаимодействии электромагнитного излучения с атмосферой, поверхностью Земли и расположенными на ней объектами.

Для целей ДЗЗ используются следующие разновидности поля электромагнитного излучения:

• — поле отраженной солнечной радиации;
• — поле собственного теплового излучения;
• — поле отраженного радиоизлучения;
• — поле отраженного когерентного оптического (лазерного) излучения.

В зависимости от природы регистрируемого электромагнитного излучения методы зондирования подразделяются на активные и пассивные. При использовании активных методов установленная на космическом аппарате (КА) аппаратура облучает земную поверхность сигналом, используя собственный источник энергии (лазер, передатчик радиолокатора). Активные методы основаны на анализе отраженных от исследуемых объектов зондирующих сигналов и используют зависимости между характеристиками обратного рассеяния и физическими параметрами объектов. Пассивные методы основаны на приеме собственного излучения исследуемых объектов либо отраженного объектами солнечного света.

Современные системы космической съемки работают в различных участках электромагнитного спектра, которые по длинам волн разделяются на оптический и радиодиапазон. Оптический, в свою очередь, включает ультрафиолетовую (длина волны 0,1-0,4 мкм), видимую (0,4-0,75 мкм) и инфракрасную (ИК) (0,75-1 000 мкм) области. Видимая область разделена на семь цветовых зон: фиолетовую, синюю, голубую, зеленую, желтую, оранжевую и красную. ИК-диа- пазон делится на ближнюю, среднюю и дальнюю ИК-области. Классификация зон электромагнитного спектра показана в табл. 1.1.

При выборе спектральных диапазонов рассматривают три основных типа взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, рассеивание и перенос. Используемые при дистанционном зондировании диапазоны частот обусловлены оптической или радиопрозрачностью атмосферы, т. е. степенью поглощения электромагнитных волн разной длины земной атмосферой.

ДЗЗ осуществляется в так называемых «окнах прозрачности» — спектральных областях, где поглощение и рассеивание излучения составляющими атмосферу газами достаточно мало. Характеристические высоты столбов газов атмосферы Земли (определяемые уменьшением давления и, соответственно, массы газов в е = 2,718 раза) составляют несколько километров (кислород — 5,3 км, пары воды — 2,1 км). С этой точки зрения можно считать, что любой КА ДЗЗ находится «над толщей» атмосферы.

На рис. 1.1 по материалам [4, 7] приведены спектры электромагнитной энергии солнечного излучения и собственного теплового излучения Земли (температура 300 К), а также представлена зависимость коэффициента прозрачности атмосферы от длины волны и указаны диапазоны длин волн, используемых в ДЗЗ.

Зоны электромагнитного спектра

Область спектра/ цветовая зона

Ширина области спектра/ цветовой зоны в длинах волн X

Оптический диапазон

0,01-1 000, мкм

Ультрафиолетовая область (UV)

Видимая область (VIS)

Инфракрасная область (ИК)

Тепловой ИК-диапазон (TIR)

Сверхвысокочастотный (СВЧ) или микроволновый (MW) радиодиапазон

Анализируя эти зависимости, можно видеть, что основные «окна прозрачности» расположены в видимом и ближнем ИК-диапа- зонах (0,4-1,3; 1,5-1,8; 2,0-2,6 мкм), в нескольких сравнительно узких участках теплового ИК-диапазона вблизи 3 и 5 мкм и в интервале от 8 до 14 мкм, а также в радиодиапазоне от миллиметровых до дециметровых волн. Для радиоволн субмиллиметрового диапазона атмосфера непрозрачна. Радиоволны с длиной волны 1-10 мм заметно поглощаются атмосферой. Радиоволны длиной свыше 20-30 м экранируются ионосферой.

Возможности съемки в видимом и инфракрасном диапазонах сильно ограничиваются поглощающими и рассеивающими свойствами атмосферы. Основными помехами в этих диапазонах являются облака, которые часто препятствуют получению оперативных данных. Ультрафиолетовая область (приблизительно до 300 нм) мало используется в дистанционном зондировании из-за очень сильного рассеивания или поглощения в самых верхних слоях атмосферы.

Таким образом, для дистанционных методов практический интерес представляет область длин волн

В этой области солнечная радиация распределена очень неравномерно: почти 99 % всей излучаемой Солнцем энергии сосредоточено в диапазоне 150-4 000 нм, т. е. в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК-областях. Максимум энергетического спектра солнечной энергии находится вблизи длины волны 500 нм, в то время как в радиодиапазоне энергия солнечного излучения составляет около 10 12 от энергии в видимом диапазоне.

При рассмотрении прохождения электромагнитных колебаний от поверхности Земли кроме поглощения атмосферой следует учитывать такие процессы, как рассеяние, рефракция и суммирование собственного (или отраженного) излучения атмосферы с собственным (или отраженным) излучением объектов на земной поверхности (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Спектр электромагнитной энергии (а), окна прозрачности атмосферы (б) и используемые в дистанционном зондировании диапазоны электромагнитных волн (в) [4, 7]

Яркость почти всех природных образований и искусственных сооружений в диапазоне до 3,0 мкм определяется свойством этих объектов отражать и рассеивать электромагнитные волны. Кроме того, все объекты обладают собственным тепловым излучением. Поскольку температура объектов сравнительно невелика, то максимумы распределения спектральной плотности их излучения регистрируются в более длинноволновой области спектра. Около 99 % теплового излучения земной поверхности сосредоточено в диапазоне 3,0-80,0 мкм.

Рис. 1.2. Виды взаимодействия излучения с атмосферой и поверхностью Земли

Рассмотрим кратко особенности использования различных областей спектра при ДЗЗ.

Видимая и ближняя ИК-области (400-2000 нм). Преимуществом использования этих лучше всего освоенных и давно используемых областей является возможность получения в принципе наибольшего количества информации о земной поверхности и расположенных на ней объектах. К основным недостаткам измерений в этих областях относятся сильная зависимость результатов от различных помех (гидрометеоры, атмосферная дымка и др.), а также возможность проведения съемки только при хорошем освещении земной поверхности солнцем (за исключением лидарных систем, в которых в качестве источника света используются мощные лазеры).

Средняя, дальняя и тепловая ИК-области (3 000-14 000 нм).

Преимуществом является зависимость результатов измерений от изменения температуры природных образований и возможность съемок в ночное время. К недостаткам следует отнести поглощение излучения гидрометеорами и помеховое влияние солнечного излучения (в среднем ИК-диапазоне). Следует отметить, что средний ИК-диапазон является весьма информативным в силу того факта, что именно в этой области лежат многие характерные пики спектров отражения природных сред, что позволяет осуществлять их распознавание по данным дистанционного зондирования.

СВЧ-диапазон. Радиоволны длиной 1-10 мм заметно поглощаются атмосферой. Для волн от 1 см до 15 м поглощение незначительно. Современные системы СВЧ-диапазона работают в основном в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Преимущества работы в этих диапазонах обусловлены способностью получать изображения независимо от погодных условий (облачности) и освещенности, помехоустойчивостью по отношению к гидрометеорам, уникальной чувствительностью к неровностям поверхности (уклоны местности, конфигурация растительного покрова, морские волны), чувствительностью к содержанию влаги в почве, сельскохозяйственных культурах, снегах. К недостаткам следует отнести меньшую чувствительность к температурным и химическим контрастам.

Приведенный краткий обзор особенностей съемки в различных диапазонах показывает, что измерение отраженного или собственного электромагнитного излучения земной поверхности одновременно в нескольких спектральных диапазонах, т. е. использование многозональной (мультиспектральной) аэрокосмической съемки, позволяет получить весьма разнообразную информацию о наблюдаемых объектах и явлениях.

Измеряемые характеристики поля излученных или отраженных электромагнитных колебаний (интенсивность, поляризация, спектральный состав и т. п.) зависят как от параметров, определяемых условиями съемки и характеристиками аппаратуры, так и от параметров, обусловленных физическими и геометрическими характеристиками природных образований и других объектов, а также от характеристик атмосферы. Выбор наиболее информативных участков спектра для решения конкретных задач определяется в первую очередь спектральными характеристиками отражений и излучений исследуемой среды.

Инфофиз. Репетитор по физике и информатике

В мире нет ничего особенного. Никакого волшебства. Только физика.

Чак Паланик

Урок 52. Виды спектров. Различные виды электромагнитных излучений, их свойства.

• Печать
• E-mail

Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром.

Спектры излучения

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры

Непрерывный спектр представлет собой сплошную разноцветную полосу.

Белый свет имеет непрерывный спектр. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр. Они делятся на:

1. линейчатый

2. полосатый

Линейчатые спектры

Линейчатый спектр состоит изотдельных цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На рисунке приведены также спектры водорода и гелия. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.

С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектры поглощения

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Это будет спектр поглощения.

Спектр поглощения представляет собой темные линии на фоне непрерывного спектра источника.

Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры поглощения.

Различные виды электромагнитных излучений, их свойства и практические применения.

Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны

Низкочастотные колебения.

Постоянный ток – частота ν = 0 – 10 Гц.

Атмосферные помехи и переменный ток – частота ν = 10 – 10 4 Гц

Частота ν =10 4 – 10 11 Гц

Длина волны λ = 10 -3 – 10 3 м

Получают с помощью колебательных контуров.

Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.

Радиосвязь, телевидение, радиолокация.

Инфракрасное излучение.

Частота ν =3·10 11 – 4·10 14 Гц

Длина волны λ = 8·10 -7 – 2·10 -3 м

Излучаются атомами и молекулами вещества.

Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны λ ≈ 9·10 -6 м.

• Проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь снег, дождь, дымку.
• Производит химическое действие на фотопластинки.
• Поглощаясь веществом, нагревает его.
• Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
• Невидимо.
• Способно к явлениям интерференции и дифракции.
• Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения, в тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии,. в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.

Видимое излучение.

Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового).

Частота ν =4·10 14 – 8·10 14 Гц

Длина волны λ = 8·10 -7 – 4·10 -7 м

Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.

Ультрафиолетовое излучение.

Частота ν =8·10 14 – 3·10 15 Гц

Длина волны λ =·10 -8 – 4·10 -7 м (но меньше, чем у фиолетового света)

Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца(кварцевые лампы).

Излучается всеми твердыми телами, у которых t > 1000°С, а также светящимися парами ртути.

• Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка).
• Невидимо.
• Большая проникающая способность.
• Убивает микроорганизмы.
• В небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменение в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.

В медицине, в косметологии (солярий, загар), в промышленности.

Рентгеновские лучи.

Частота ν =3·10 15 – 3·10 19 Гц

Длина волны λ =·10 -11 – 4·10 -8 м

Излучаются при резком торможении электронов, движущихся с большим ускорением.

Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 нм).

• Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке.
• Большая проникающая способность.
• Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь.

В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).

Гамма – излучение (γ – излучение).

Частота ν =3·10 20 Гц и выше

Длина волны λ =3,3·10 -11 м

Источники: атомное ядро (ядерные реакции).

• Имеет огромную проникающую способность.
• Оказывает сильное биологическое воздействие.

В медицине, в производстве (γ – дефектоскопия).

Вопросы к экзамену

Для студентов всех групп технического профиля Нвороссийского колледжа строительства и экономики (НКСЭ)

Законы и формулы

Сейчас 48 гостей и ни одного зарегистрированного пользователя на сайте

Если Вы являетесь автором материалов или обладателем авторских прав, и Вы возражаете против его использования на моем интернет-ресурсе — пожалуйста, свяжитесь со мной. Информация будет удалена в максимально короткие сроки.

Спасибо тем авторам и правообладателям, которые согласны на размещение своих материалов на моем сайте! Вы вносите неоценимый вклад в обучение, воспитание и развитие подрастающего поколения.

Что такое спектральный диапазон?

Свет является одним из видов электромагнитного излучения. Электромагнитные волны в зависимости от длины волны принято разделять на диапазоны. Между длинноволновым радиоизлучением и коротковолновым жестким, к которому относятся рентгеновские и гамма-лучи, находится оптическая область.

Она тоже подразделяется на инфракрасную часть, видимую (знакомую всем как радужный спектр) и ультрафиолетовую.

Оптический спектр

Оптические опыты Исаака Ньютона по разделению светового луча, описанные им в 1671 году, представили спектр как семь участков разных цветов от красного к фиолетовому. В западной традиции нашему синему цвету между голубыми фиолетовым соответствует индиго.

Ньютон соотносил цвета с музыкой, днями недели, известными планетами солнечной системы, поэтому выбрал число семь и составил спектр как октаву из семи нот. Рисуя круговую схему цветов, он соединил красную и фиолетовую часть, показывая образование пурпурного цвета.

Рассматривая радугу, невозможно отделить цвета друг от друга как на детском рисунке цветными карандашами. Четкой границы между ними не существует. Каждый цвет состоит из волн, имеющих небольшие различия в длине. Поэтому для них указывают некий промежуток между соседними цветами, причем, ширина их неодинакова.

Искусственность выделения семи цветов видна из таблиц ширины диапазонов, где фиолетовой области отводится 60 нм (от 380 до 440), а голубой всего 15 (от 485 до 500). Вся же «октава» видимой области занимает совсем небольшой диапазон длин волн от 380 до 740 нанометров.

Соседняя инфракрасная имеет 11 октав, а ультрафиолетовая 5, то есть в них объединены волны со значительно большей разницей в длине.

Световые диапазоны в спектрофотометрии

Свойства световых лучей из различных участков спектра взаимодействовать с веществами использованы в приборах, измеряющих световой поток до и после этого взаимодействия — спектрофотометрах. Рабочим диапазоном для спектрофотометров В 1200 и В 1100 является область от 315 до 1050 нм, то есть кроме видимой области, включает часть ультрафиолетового и инфракрасного диапазона.