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 ε_эл, колебательных ε_к, колебательно-вращательных ε_кол-вр и чисто враща­тельных ε_вр уровней. Полная энергия молекул ε_мол 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 λ_m = 1,7мкм. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует λ_m = 10 мкм, а при λ_m = 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.