1. Оптические методы

В экспертизе продовольственных товаров используются многие оптические методы, основанные на изменениях энергетического состояния атомов веществ. Оптические методы анализа используют энергетические переходы внешних /валентных/ электронов. Общим для них является необходимость предварительной атомизации /разложение на части/ вещества.

Большой класс оптических методов основан на использовании различных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. В связи с этим необходимо рассмотреть сущность электромагнитного излучения.

1.1. Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение /ЭМИ/, свет имеет двойственную природу - волновую и корпускулярную. Для описания ЭМИ используют волновые и квантовые характеристики /параметры/.

Волновые параметры. Электромагнитную волну можно представить в виде двух переменных полей, перпендикулярных друг другу и к направлению движения волны.

Рис.1. Электромагнитная волна

Н - магнитная составляющая, Е - электрическая составляющая

- Частота (ν) - число колебаний в единицу времени. В СИ единица частоты Гц. 1Гц = 1 колебанию в секунду. Высокие частоты измеряют в КГц. 1КГЦ =10³Гц. 1МГц =10⁶Гц. Зеленый свет например характеризуется частотой 6*10Гц.

- Длина волны (λ) - расстояние между двумя соседними максимумами волны. Она равна отношению скорости к частоте. В СИ измеряется в метрах и его долях — сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм), нанометрах (нм), ангстремах (Å), 1 мкм = 10^-6м. 1 нм = 10^-9м. lÅ = 10^-10м. Зеленый свет представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны = 500-550 нм = 5*10^-7-5,5*10^-7м.

Совокупность всех частот (длин волн) ЭМИ называют электромагнитным спектром.

В зависимости от длины волны в электромагнитном спектре выделяют следующие участки (области):

- рентгеновская 10^-12 - 10^-8м или до 10 нм

- дальняя УФ 10^-8 – 10^-7м 10 - 200 нм

- ближняя УФ 2*10^-7 – 4*10^-7м 200 - 400 нм

- видимая 4*10^-7 – 7,6*10^-7м 400 - 760 нм

- ближняя ИК 7,6*10^-7м – 2,5*10^-6м 760 - 2500 нм

- средняя ИК 2,5*10^-6 – 5,0*10^-5м 2500 - 5000 нм

- дальняя ИК 5,0*10^-5 – 1,0*10^-3м 5000 - 1000000 нм

- микроволновая 1,0*10^-3 – 1,0м

- радиоволновая 1,0 – 10³м

• Волновое число (ΰ) - число волн, приходящееся на единицу расстояния. В качестве единицы волнового числа наиболее часто используют обратный сантиметр (см^-1). Для зеленого света = 1/5*10 = 2,0*10¹см.

• Скорость распространения ЭМИ в определенной среде (с), в вакууме она максимальна (с = 2,99792*10⁸ м/с - 300000 км/с = 3,0* 10¹⁰ см/с). В любой другой среде с₁ = c/η₁ где η₁- коэффициент преломления среды.

Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением:

v = с/λ = с*ΰ.

ν = 3,0*10⁸/5,0*10^-7 = 0,6*10¹⁵ гц = 6,0*10¹⁴ гц

ν = 3,0*10¹⁰*2,0*10^-4 = 6,0*10¹⁴гц

• Интенсивность (I) - на практике за интенсивность принимают значение аналитического сигнала в произвольных единицах, например число делений шкалы прибора. По определению, интенсивность - это мощность ЭМИ, испускаемого источником в определенном направлении, на единицу телесного угла, она пропорциональна квадрату амплитуды.

• Плоскость поляризации - плоскость ХУ, в которой колеблется электромагнитное поле. Электромагнитный поток, состоящий из множества плоскостей поляризации, называют неполяризованным, а поток, в котором поля электрическое или магнитное лежат в одной плоскости - плоскополяризованным.

Квантовые (корпускулярные) параметры. Электромагнитное излучение состоит из потока дискретных частиц (квантов света или фотонов) движущихся со скоростью света. Фотон - материальная частица с определенными массой и импульсом, отклоняющаяся от прямолинейного пути под действием силы тяжести, но в отличие от других материальных тел движущаяся только со скоростью света. Каждый фотон обладает энергией, связанной с его массой и частотой или длиной волны соотношениями:

Е = mс² = hv = hc/I, (A),

где h - постоянная Планка, равная 6,6* 10" Дж в секунду или 4,1*10^-15 эВ в секунду. 1эВ = 1,6022*10^-15Дж. То есть фотон можно охарактеризовать частотой или энергией. V = h/mc (В).

Двойственная природа свойственна всем материальным телам и физическим полям, т.е. между массой, скоростью и длиной волны любого материального тела справедливы соотношения А и В, где вместо с→ν, скорость движения тела. В зависимости от массы и скорости тела доминирует волновой или квантовый параметр. При больших m и малых v длины волн λ, v материальных тел настолько малы, что их нельзя измерить современными измерительными средствами. При скоростях (v), близких к скоростям света (с), и при очень малых массах материальных тел (электрон, позитрон) проявляется их волновая природа.

В результате взаимодействия ЭМИ со всей массой вещества (материальным телом) наблюдается: рефракция, поляризация (оптическая активность), дифракция, дисперсия, поглощение (отражение, пропускание, рассеивание). При взаимодействии ЭМИ с атомами или молекулами вещества наблюдают атомные или молекулярные спектры. Каждый электрон, атом, а следовательно, энергетический уровень описывают набором четырех квантовых чисел: главного, побочного, магнитного и спинового.