Wybielacze optyczne

1.1. Promieniowanie elektromagnetyczne

1.1.1. Energia fotonu

Promieniowanie elektromagnetyczne jest to drganie pola elektrycznego i prostopadłego do niego pola magnetycznego. Drgania tych pól są prostopadłe do kierunku w którym rozchodzi się promieniowanie elektromagnetyczne:

Odcinek na którym składowe pola elektrycznego E i magnetycznego H osiągają wszystkie swoje wartości od 0, przez –E₀ (-H₀) i ponownie 0 do +E₀ (H₀) nazywa się długością fali promieniowania λ. Długość fali λ jest więc odcinkiem drogi promieniowania na którym mieści się jeden okres drgania pola, czyli jedno drganie. Jeżeli promieniowanie przebywa w ciągu 1s w próżni drogę c=3^.10⁸m, to liczba drgań pola w ciągu sekundy wynosi i nazywany jest częstością drgania. W spektroskopii często posługujemy się liczbą falową , która określa liczbę drgań pola przypadającą na 1cm drogi przebytej przez promieniowanie. Jeżeli liczba drgań (częstość) wynosi ν, a w ciągu sekundy promieniowanie przebywa drogę c[cm]. to. Podstawiając za ν wyrażenie otrzymamy: . Liczba falowa oznacza zatem również liczbę długości fal mieszczącą się w 1cm.

Długość fali λ, prędkość promieniowania c, częstość promieniowania ν oraz liczba falowa są cechami jakościowymi promieniowania, wynikającymi z jego natury falowej. Jednakże natura promieniowania elektromagnetycznego jest dualistyczna, czyli promieniowanie elektromagnetyczne można również rozpatrywać jako korpuskułę. Jest więc zbiorem porcji energii, czyli kwantów energii. Wielkość kwantu energii (najmniejszej porcji energii) niesionej przez foton określona jest wzorem: (w ostatniej zależności prędkość światła musi być wyrażona w cm/s).

Energia niesiona przez pojedynczy foton jest bardzo mała, np. dla promieniwania o λ=300nm ε=6,63^.10^‑19J. Nie jesteśmy przyzwyczajeni do operowania tak małymi wielkościami (poza fizykami). Wygodniej jest operować energią niesioną przez mol fotonów. Energia ta zwana jest ajnsztainem: E=N₀ε=N₀hν (gdzie N₀ – liczba Avogadro).

Rozpiętość energii niesionej przez promieniowanie elektromagnetyczne jest bardzo duża, od ułamków dżula dla fal radiowych, do 10¹⁰ dżula i więcej dla promieniowania kosmicznego:

1.1.1. Widmo światła białego

Nas najbardziej interesuje maleńki wycinek z tego zakresu, od około 400 do 760nm. Oko ludzkie wrażliwe jest tylko na to promieniowanie i odbiera je jako światło.

Chociaż promieniowanie elektromagnetyczne w próżni rozchodzi się z jednakową szybkością, około 3^.10⁸m/s, to w innych ośrodkach prędkość ta jest mniejsza. Stosunek prędkości promieniowania w ośrodku, do prędkości w próżni nazywany jest współczynnikiem załamania światła: . Okazuje się, że im promieniowanie elektromagnetyczne charakteryzuje się większą częstością (mniejszą długością fali), tym bardziej jest spowalniane przez ośrodek o większej gęstości niż próżnia. Dlatego światło białe, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od 400 do 760nm jest rozczepiane przez pryzmat na promieniowanie o różnej długości fali:

Z tego doświadczenia wynika, że równoczesny odbiór fal świetlnych z zakresu 400÷760nm przez oko ludzkie wywołuje wrażenie światła białego (bezbarwnego). Natomiast oddzielne oddziaływanie promieni świetlnych z wąskiego zakresu długości fal wywołuje wrażenie barwy (światło monochromatyczne).