第一节　电磁波的性质

电磁波是一种以巨大速度通过空间传播的光量子流，它既具有粒子的性质，又具有波动的性质。也就是说，电磁波具有波粒二象性。

一、电磁波的波动性

电磁波是横波，可用电场强度向量E和磁场强度向量H来表征。这两个向量以相同的位相在两个互相垂直的平面内以正弦曲线振动，并同时垂直于传播方向（见图4-1）；也就是说电磁波是在空间传播的变化的电场和磁场，当其穿过物质时，它可以和带有电荷和磁矩的任何物质相互作用，并产生能量交换。光谱分析就是建立在这种能量交换基础之上的。

电磁波的传播具有波动性质，可用速度c、波长λ、频率ν或波数σ等参数加以描述。

波长是指在波传播路径上具有相同振动位相的两点之间的距离，即相邻两个波峰或波谷之间的直线距离。由于各波谱区波长范围不同，需用不同单位表示。γ射线、X射线、紫外光和可见光常用nm表示，红外光常用μm和波数cm-1表示，微波用mm和m表示。这些单位之间的换算关系为1m=102cm=106μm=109nm。

频率是指单位时间内电磁波振动的次数，即单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数目，单位为赫兹（Hz）或s-1。频率与波长的关系为

ν=c/λ　　（4-1）

式中，c为光速，其值为3.00×1010cm·s-1。

波数为波长的倒数，单位为cm-1，表示每厘米长度中波的数目。若波长以μm为单位，则波数与波长的换算关系为

　　 （4-2） 　　

电磁波的波动性，还表现在它具有散射、折射、反射、干涉和衍射等现象。散射是指入射光的光子与试样的粒子碰撞时，会改变其传播方向。折射现象是由于光在两种介质中传播速度不同引起的。衍射是光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，这些现象都可以用光的波动性来解释。

例题4-1　钠原子发射出波长为589nm的黄光，其频率是多少？

解：　　　　　　　　　　1nm=10-7cm

589nm=5.89×10-5cm

例题4-2　波长λ=4μm的红外光，其波数为多少？

　　解：　　

二、电磁波的微粒性

就电磁波的微粒性而言，其表现为光的能量不是均匀连续地分布在它所传播的空间，而是集中在被称为光子的微粒上。每个光子具有能量E，其与频率及波长的关系为

　　 （4-3） 　　

式中，h是普朗克常数，其值为6.63×10-34J·s。

式（4-3）表现了电磁波的双重性，等式左边表示为粒子的性质，等式右边表示为波动的性质。光电效应，康普顿效应和黑体辐射等则只能用电磁波的微粒性来解释。

例题4-3　波长为200nm的紫外光，其能量为多少？

　　解：

电磁波能量的单位用焦耳表示的数值是相当小的，因此在X射线范围常用电子伏特表示，1J=6.24×1018eV；在可见光范围常用kJ·mol-1表示。上例的能量若以kJ·mol-1表示，则为

E=9.95×10-19×6.02×1023×10-3=599kJ·mol-1

三、电磁波谱

将电磁波按其波长顺序排列成谱，称为电磁波谱，它是物质内部运动变化的客观反映。任一波长的光量子的能量E都是与物质内能（原子的、分子的或原子核）的变化ΔE相对应，即

　　 （4-4） 　　

如果已知物质由一种状态过渡到另一种状态的能量差，便可按式（4-4）计算出相应的波长。表4-1所列出的即为各电磁波谱区的名称、波长范围、能量大小及相应的能级跃迁类型。