Инфракрасное излучение

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 133.

Тепло может передаваться теплопередачей, конвекцией и излучением. Излучение, передающее тепло, называется инфракрасным. Поговорим об этом виде излучения, о его характеристиках и особенностях.

Открытие инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение было открыто астрономом У. Гершелем в 1800 г.

В это время астрономические приборы достигли уже такой высокой точности, что тепловое расширение их деталей существенно влияло на результаты измерений. При наблюдениях звезд и планет обеспечить постоянство температуры несложно, однако при исследовании Солнца нагрев инструментов оказался значительной проблемой.

Разлагая солнечный свет в спектр, У. Гершель установил, что разные участки спектра нагревают вещество по-разному: красная часть спектра греет значительно сильнее, чем фиолетовая, а максимум тепла вообще приходится на участок «за видимым преломлением».

В дальнейшем благодаря работам Т. Юнга и О. Френеля было доказано, что инфракрасное излучение, как и свет, представляет собой электромагнитное излучение.

Генерация инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение, как и любое другое электромагнитное излучение, генерируется колеблющимися заряженными частицами. В данном случае — это тепловое движение атомов и молекул.

Хаотичность движения определяет непрерывность ИК-спектра. Можно указать лишь зону наибольшей мощности теплового излучения, которая соответствует наиболее часто встречающейся частоте тепловых движений. Однако в любом нагретом теле присутствуют частицы, имеющие самую разную скорость, а поэтому и ИК-спектр получается непрерывным.

Длину волны, соответствующую максимуму излучения тела, нагретого до абсолютной температуры $T$, можно найти с помощью закона смещения В. Вина. Согласно ему длина волны, которую излучают поверхности инфракрасного излучения на максимальной мощности, связана с температурой простым соотношением:

$$\lambda_{max}={2.898×10^{-3}\over T}$$

где:

$lambda_{max}$ — длина волны теплового излучения максимальной мощности, м;
$T$ — абсолютная температура, К.

Свойства инфракрасного излучения

На шкале электромагнитных волн инфракрасное излучение занимает длину волн от 1 мм (частота 300 ГГц) до 0,75 мкм (частота 400 ТГц):

Рис. 2. Шкала электромагнитных излучений.

Весь диапазон условно разделен на следующие поддиапазоны:

Менее 3 мкм — ближний инфракрасный диапазон. Длинноволновая граница этого диапазона определяется ухудшением прозрачности воды для более длинных волн.
3–50 мкм — средний инфракрасный диапазон. Это диапазон, в котором излучает большинство тел, имеющих невысокие температуры (от –215 до 700 ⁰С).
Более 50 мкм — дальний инфракрасный диапазон, простирающийся до микроволнового излучения по шкале электромагнитных волн.

Несмотря на то, что все свойства инфракрасного излучения практически такие же, как у видимого света, оптические свойства различных веществ по отношению к ИК-излучению существенно различаются. Например, сухой и чистый воздух практически прозрачен для инфракрасного излучения, однако наличие в воздухе паров воды и углекислого газа резко уменьшает его прозрачность.

Также влияют на прозрачность воздуха микрочастицы пыли, поскольку твердые вещества, как правило, непрозрачны для инфракрасного излучения, хотя бывают исключения.

Например, обычное стекло достаточно хорошо пропускает ближний ИК-диапазон, но задерживает дальний. На этой разнице основан парниковый эффект теплиц. Солнечное излучение легко проникает сквозь стеклянную поверхность, но земля излучает гораздо более длинные ИК-волны, которые стекло не пропускает.

Свойства ИК-излучения определяют области его применения. В первую очередь — это бесконтактное измерение температуры тел.

Рис. 3. Области применения ИК-излучения.

Что мы узнали?

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение тел, генерируемое в результате теплового движения атомов и молекул нагретого тела. Условно разбито на три поддиапазона. Длина волны максимальной мощности определяется законом В. Вина.