Лекция 6 Тепловое излучение
1. Общие сведения об инфракрасном излучении
Области ИК диапазона. Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 мкм примерно до 700 мкм. Верхняя граница ИК диапазона определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн (см. рис. 1). Весь диапазон ИК излучения часто делят на три поддиапазона (табл.1).
Таблица 1
Области ИК диапазона
Область ПК |
λ, мкм |
Ближняя |
0,76 – 2,5 |
Средняя |
2,5 – 50 |
Дальняя |
50 – 700 (2000) |
ИК излучение не воспринимается человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК излучение называют тепловым излучением (тепловыми лучами). Инфракрасные лучи открыты английским астрономом В. Г. Гершелем в солнечном спектре.
Русский физик А.А. Глаголева-Аркадьева с помощью массового излучателя получила в 1923 г. электромагнитные колебания с длиной волны от 50 мм до 80 мкм. Таким образом, был перекрыт широкий диапазон длин волн, соответствующий колебательно-вращательным уровням молекул. Они обладают сложными энергетическими уровнями и имеют набор дискретных электронных εэл, колебательных εк, колебательно-вращательных εкол-вр и чисто вращательных εвр уровней. Полная энергия молекул εмол определяется этим набором уровней:
(1)
При соответствующем переходе с одного уровня на другой уровень испускается квант излучения определенной энергии (частоты) hv. Чем больше разность энергии уровней (ε1, ε2), тем выше частота v21 излучения:
(2)
где v21 – частота излучения при переходе с уровня 2 на уровень 1 (ε2>ε1); h – постоянная Планка.
Среди ИК спектров различают линейчатые, полосатые и непрерывные.
Линейчатые (атомные) ИК спектры испускают возбужденные атомы и молекулы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии. Полосатые (молекулярные) ИК спектры возникают при переходах между колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены, в основном, в средней области ИК диапазона. Чисто вращательные спектры располагаются, главным образом, в далекой области ИК диапазона. Непрерывный ИК спектр излучают все нагретые тела. Например, максимум теплового излучения тела человека приходится на длину волны 10 мкм, что соответствует средней области ИК. Непрерывный (сплошной) спектр обусловлен тем, что в конденсированном состоянии в жидкостях и твердых телах происходит сильное взаимодействие молекул и атомов, что приводит к размытию дискретных энергетических уровней и образованию сплошных спектров излучения.
Закон Стефана–Больцмана. Замкнутая полость тела, поддерживаемая при постоянной температуре, обладает электромагнитным равновесным излучением как в отношении общей плотности энергии, так и в отношении спектрального распределения. Такое состояние определяется только от температуры полости и не зависит от материала стенок. При постоянной температуре стенок.
Источники ИК излучения. Источники ИК излучения можно разделить на две группы: естественного и техногенного происхождений. Главным естественным источником ИК излучения в биосфере является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца ≈ 6000°К примерно 50% энергии излучения приходится на ИК диапазон. К числу естественных источников ИК излучения относятся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепло-массопереноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т. п. Поверхность Земли испускает тепловое излучение в диапазоне длин волн примерно от 3 до 80 мкм, т. е. захватывает всю среднюю ИК область. Интересно отметить, что максимум обратного теплового излучения Земли в мировое пространство расположен на длине волны 10 мкм, как и максимум излучения человеческого тела. Не простое ли это совпадение? Мы, дети планеты Земля, имеем общие черты теплового портрета нашей колыбели, сигнализируя об этом в космос. Исследование теплового излучения человеческого тела с помощью тепловизоров дает значительную информацию при диагностике различных заболеваний и контроле динамики их развития.
Чрезмерное увлечение ИК излучением, особенно ближней зоны, может привести к ожогам кожи, расстройствам нервной системы, общему перегреву тела человека, нарушению солевого баланса, работы сердца, тепловому удару и т. д.
Исследование ИК спектров различных астрономических объектов позволило установить космические источники ИК излучения, присутствие в них некоторых химических соединений и определить температуру этих объектов.
К космическим источникам ИК излучения относятся холодные красные карлики с температурой поверхности 1000-1500°К, ряд планетарных туманностей, кометы, пылевые облака, ядра галактик, квазары и т. д.
Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300-2800°К максимум излучения приходится на длину волны ≈1,2мкм и около 95% энергии излучения приходится на ИК диапазон. Используемые для сушки и нагрева лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 1 кВт излучают в ИК диапазоне около 80% всей энергии. При понижении температуры общее содержание ИК излучения источника уменьшается. При температуре а.ч.т. 1550°К максимум излучения соответствует длине волны λm = 1,7мкм. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует λm = 10 мкм, а при λm = 18 мкм интенсивность уменьшится в 700 раз. К числу спонтанных источников ИК излучения техногенного происхождения относятся также газоразрядные лампы, угольная электрическая дуга, электрические спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые пропускаемым током, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи самого различного назначения с использованием самого различного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т. д.), электропечи, электротехнические устройства с неизбежным превращением доли электрической энергии в тепловую, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций и т. д. Человеческая цивилизация, являясь сложной диссипативной структурой, неизбежно связана с тепловым излучением.
Среди некогерентных источников ИК излучения часто используются избирательные излучатели, например, горелка Нернста, Ауэра, имеющие в своем спектре сравнительно мало видимых лучей. Горелка Нернста позволяет получать интенсивные ИК излучения в области длин волн около 6 мкм, а горелка Ауэра – в широком диапазоне ИК спектра при λ > 6 мкм.
К числу когерентных техногенных источников с узкой полосой ИК излучения относятся ИК лазеры.