Тепловое (инфракрасное) излучение.

Известно, что область видимого света лежит в интервале длин волн от 7,5*10^-7 м (красный) до 3,5*10^-7 м (фиолетовый). А излучение, лежащее в интервале от 1*10^-5 м до 7,5*10^-7 м глазом не воспринимается. Это излучение испускается всеми телами, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15⁰С). Это излучение называется инфракрасным. Кванты этого излучение очень слабы, они могут только нагреть тела, которые их поглощают. Поэтому это излучение ещё называется тепловым.

Для того, чтобы подробно описать теорию теплового излучения, придумана модель тела, которое всё падающее на него излучение поглощает и ничего не отражает. Такое тело называется абсолютно чёрным телом. Все законы, описываемые ниже, точно соблюдаются только для абсолютно чёрного тела. На практике же абсолютно чёрных тел не существует, ибо всякое тело хоть немного, но отражает падающий на него свет. Немецкий учёный Кирхгофф установил закон излучения и поглощения для всех тел, который звучит так: отношение излучательной способности к поглощательной способности не зависит от природы тел, а зависит только от длины волны и температуры.

Для того, чтобы лучше понять практическую суть этого закона, представим, что мы взяли два совершенно одинаковых металлических чайника, наполнили их холодной водой, находящейся при одинаковой температуре. Но при этом один из чайников отполирован до зеркального блеска, а другой покрыт чёрной копотью. И выставили оба этих чайника на прямой солнечный свет. Который из них быстрее нагреется? Любой здравомыслящий человек, имеющий достаточный практический опыт, скажет, что быстрее нагреется чёрный чайник и это будет соответствовать действительности, так как все чёрные предметы на солнце нагреваются значительно сильнее, чем белые. А теперь проделаем обратный эксперимент: оба эти чайника заполним одинаковым количеством кипятка и поставим в тень. В котором из них вода быстрее остынет? На этот вопрос не всегда правильно ответишь. Но практика показывает, что вода быстрее остынет в чёрном чайнике. Отсюда выводим следствие закона Кирхгоффа: то тело, которое сильнее нагревается от внешнего излучения, то и быстрее остынет, если будет нагрето само.

Вот по этой причине вся металлическая посуда, в которой приготовляют пищу (кастрюли, металлические чайники и пр.), стараются сделать блестящей, так как в ней нужно горячую пищу сохранить как можно дольше. По этой же причине колбы у термосов изнутри покрывают зеркальным слоем. И наоборот: если нужно, чтобы тело быстрее отдавало тепло и быстрее остывало, его поверхность покрывают чёрным цветом. Например, в радиоэлектронной аппаратуре иногда мощные транзисторы и диоды, для предотвращения их перегрева, плотно прикрепляют к массивным металлическим предметам (радиаторам) и поверхность этих радиаторов покрывают чёрным цветом.

Дальнейшие исследования показали, что интенсивность излучения быстро возрастает при повышении его абсолютной температуры. Эта зависимость выражается следующим уравнением и является законом Стефана-Больцмана:

R = sT⁴ где R - общее излучение абсолютно чёрного тела;

Т - абсолютная температура тела;

s = 5,67*10^-8 Вт/(м² К⁴). - постоянная Стефана-Больцмана

Если, например, абсолютную температуру тела увеличить в 2 раза, то общее излучение тела возрастёт в 2⁴ = 16 раз!

Существует ещё одна закономерность в тепловом излучении тел: при повышении абсолютной температуры не только возрастает общее излучение тела, но и максимум излучения смещается в сторону более коротких длин волн (закон Вина):

l_max = b/T где b = 0б28978*10^-2 м* К постоянная Вина.

Данный закон можно наблюдать при нагревании железного предмета в пламени. Когда предмет нагрет до недостаточно высокой температуры, то он светится тёмно-красным цветом. Если его нагреть сильнее, то он будет светиться оранжевым цветом; если нагреть до температуры плавления, то расплавленный металл будет светиться уже жёлтым цветом и т.д.. Эта закономерность не зависит от рода нагреваемого тела, поэтому по цвету свечения можно определить температуру тела.

Как было сказано выше, инфракрасное излучение не воспринимается органом зрения человека. Однако зрение некоторых животных воспринимает коротковолновое инфракрасное излучение, например, зрение кошки, совы, рыси и некоторых других животных. Для того, чтобы человек мог видеть в инфракрасных лучах, созданы специальные приборы ночного видения. Данные приборы широко применяются в военном деле, в криминалистике, их также используют охотники для ночной охоты. Инфракрасные лучи свободно проходят сквозь туман, пыль, дождь и приборы ночного видения могут вести наблюдения даже через сильно загрязнённый воздух. В последнее время инфракрасные лучи нашли широкое применение в системе дистанционного управления радиоаппаратурой. При нажатии на кнопку пульта дистанционного управления, с торцовой поверхности пульта излучается инфракрасное излучение, в котором закодирована команда управления аппаратурой. А в аппаратуре на передней панели стоит фотодиод, воспринимающий инфракрасное излучение, который превращает это излучение в серию электрических импульсов, которые управляют прибором.

В медицине также применяется метод диагностики с помощью восприятия инфракрасного излучения тела человека. Для этого используют особый прибор – тепловизор. Он представляет собой специальную телевизионную камеру, чувствительную только к инфракрасной области излучения. Затем изображение обрабатывается компьютером и выводится на экран монитора. Этот метод является очень информативным и перспективным.

 

Ультрафиолетовое излучение

За фиолетовым концом спектра располагается зона, которая не воспринимается органом зрения. Она лежит в диапазоне длин волн от 4*10^-7 м до 1*10^-8 м. Это излучение называется ультрафиолетовым (УФ). Оно характеризуется более энергичными квантами и сильным биологическим действием.

Излучается УФ-излучение телами, нагретыми до высокой температуры, свыше 3500⁰С. Поверхность Солнца, имеющая температуру около 6000⁰С также излучает заметную долю УФ-излучения. Правда, максимум излучения при этом приходится на длину волны, соответствующей жёлто-зелёной части спектра, но даже то УФ-излучение, что даёт Солнце, было бы способно убить всё живое на Земле, если бы не защитное действие атмосферы. Но и то, что доходит до Земли, способно вызвать сильное биологическое действие. Хорошо известно, что загар – это защитная реакция кожи на УФ-излучение. Но если доза УФ-излучения Солнца будет чрезмерная, то это может привести к серьёзным ожогам кожи.

Кроме Солнца, УФ-излучение может испускаться электрическим разрядом в некоторых газах. В этом случае УФ-излучение будет иметь линейчатый спектр, в отличие от сплошного УФ-спектра, испускаемого Солнцем и сильно нагретыми телами. Особенно яркие эмиссионные линии УФ-излучения наблюдаются в парах ртути. Поэтому в настоящее время самым распространённым источником УФ-излучения являются ртутно-кварцевыые лампы. Они так называются потому, что в них находятся пары ртути а корпуса их сделаны из кварцевого стекла. Обычное стекло для этого не годится, так как оно задерживает значительную долю УФ-излучения. Кроме того, такие лампы при работе очень сильно нагреваются и в них повышается давление. При этом лампа работает в выгодном режиме: потребляет тока немного и при этом даёт хорошее излучение. Кварцевая колба выдерживает очень сильный нагрев и при этом не размягчается и сохраняет свою форму. Если бы лампа была изготовлена из обычного стекла, то она при нагреве размягчилась бы и давление паров её раздуло бы.

Таким образом в ртутно-кварцевой лампе среднего и высокого давления имеются пары ртути и небольшое количество жидкой ртути. Для облегчения её запуска в неё вводят небольшое количество инертного газа аргона. Последовательно с лампой включают катушку L с железным сердечником (дроссель). Эта катушка служит для того, чтобы взять на себя часть сетевого напряжения и в то же время обеспечивать устойчивость горения разряда в лампе. (см. схему):

В

При первом включение в лампе вспыхивает тлеющий разряд. При этом голубоватое свечение занимает весь объём трубки, при этом от сети потребляется довольно большой ток, а излучение при этом слабо. Электрическая энергия при этом в основном расходуется на разогрев лампы. По мере повышения температуры лампы, находящаяся в ней жидкая ртуть испаряется и давление в трубке значительно повышается. При этом разряд в трубке постепенно переходит в дуговой. Свечение стягивается в узкий шнур очень высокой яркости. Концы электродов в лампе раскаляются до белого каления и при этом они испускают электроны, которые поддерживают дуговой разряд (термоэлектронная эмиссия). Лампа при этом значительно снижает потребляемый ток, излучение её возрастает до максимума, все параметры лампы стабилизируются и лампа готова к работе. Время разогрева лампы 10-15 минут. Если после этого лампу от сети отключить и тут же включить в сеть снова, то лампа не загорится, пока не остынет. Причина этого состоит в том, что в горячей лампе сохраняется высокое давление паров ртути и сетевого напряжения недостаточно, чтобы разряд возбудить снова. А электрическая дуга при этом прервана и разряд продолжаться не может. После того, как лампа остынет, часть паров ртути при этом перейдёт в жидкое состояние, давление в лампе значительно снизится и достаточно будет сетевого напряжения 220 В, чтобы вспыхнул тлеющий разряд.

Однако существуют и лампы низкого давления. Они имеют ту же конструкцию, что и хорошо известные лампы дневного света, только трубчатые колбы у них изнутри не покрыты белым порошком, а прозрачны. Они излучают УФ-излучение меньшей интенсивности, зато не требуют предварительного прогрева и после включения сразу входят в нормальный режим.

УФ-излучение нашло широкое применение в медицине. В больничных палатах, перевязочных, процедурных, операционных оно используется для стерилизации воздуха (кварцевание). При этом погибают все микробы и вирусы. Но одновременно при этом кислород О₂ переходит в более активную форму О₃ (озон). Он имеет характерный запах. В малых количествах озон полезен для организма, а в чрезмерных дозах может вызвать отравление. Поэтому, в тех помещениях, где работают мощные ртутно-кварцевые лампы, должна быть хорошая вентиляция. УФ-излучение используется в качестве физиотерапевтических процедур для обработки гнойных ран, воспалительных участков, а также с профилактической целью для предотвращения рахита и общего оздоровления организма. В последнее время стали популярны солярии, где можно получить загар даже в зимнее время. Но солярием надо пользоваться умело и обязательно под присмотром специалиста.

УФ-излучение вызывает сильную фотолюминесценцию некоторых веществ. Но поскольку все ртутно-кварцевые лампы дают не только УФ-излучение, но и видимый свет, то встаёт задача, чтобы на пути излучения лампы поставить такой светофильтр, который будет пропускать только УФ-излучение, а видимые лучи задерживает. Такой светофильтр был создан. Но в последнее время стали выпускать УФ-лампы низкого давления, стеклянная трубка которых сделана из такого стекла, которое не пропускает видимые лучи, а УФ-излучение свободно пропускает. Они при включении не требуют специального прогрева и сразу готовы к применению. С помощью этих ламп очень удобно наблюдать фотолюминесценцию. Врачи-дерматологи с помощью такой лампы диагносцируют грибковые заболевания и стригущий лишай. Если кожа здоровая, то она при УФ-излучении такой лампы выглядит тёмной. Если имеет место грибковая патология – то кожа в данном месте будет слабо светиться зеленоватым светом. Можно таким образом проверять качество продуктов питания. Куриные яйца хорошего качества при данном освещении светятся бледно-розовым цветом. Если же они испорчены – то свечение будет зелёным. Таким же образом проверяют мясные продукты: буженину, колбасы и другие. Продукты хорошего качества в УФ-лучах не светятся, а если на них имеются испорченные места, то данные места светятся зеленоватым цветом.

УФ-излучение используется не только в медицине. Оно используется для проверки подлинности ценных бумаг и денежных купюр. Каждая ценная бумага и денежная купюра имеет специальные метки, которые светятся в УФ-лучах. По свечению этих меток определяют подлинность и купюр и других ценных бумаг. В криминалистике тоже применяют метки, которые не видны в видимых лучах, но хорошо видны в УФ-излучении. Это помогает при раскрытии преступлении.

И наконец, УФ-излучение находит применение в развлекательно-зрелищных заведениях. На дискотеках часто такие лампы включают для развлечения танцующих. В цирке и некоторых театральных постановках также иногда используют УФ-лампы, которые создают необычный зрелищный эффект.

Но вместе с тем, при работе в источниками УФ-излучения нужно обращаться осторожно. Наиболее уязвимы для УФ-излучения являются глаза. Поэтому нужно избегать прямого попадания на поверхность глаз УФ-лучей и пользоваться при этом специальными защитными очками. Поверхность кожи также нужно оберегать от длительного воздействия УФ-излучения, так как это может вызвать покраснение кожи и даже ожог. Следует также отметить, что интенсивность УФ-излучения ламп высокого давления значительно превышает интенсивность УФ-лучей, идущих от Солнца. Если пребывание на пляже каких-нибудь лишних двадцати минут наопасно, то эти же двадцать минут под ртутно-кварцевой лампой может привести к тяжёлым ожогам кожи. Следует также отметить, что при разрушении ртутно-кварцевой лампы нужно принять все меры к тому, чтобы пары ртути не попали в органы дыхания окружающих людей и не вызвали отравление.

Контрольные вопросы