Лекція 6 Тема: Теплове випромінювання біологічних об’єктів. Термографія.

Теплове (температурне) випромінювання - це електромаг­нітне випромінювання тіл, що виникає за рахунок їх внутрішньої енергії (енергії теплового руху атомів та молекул). Теплове випромінювання властиве всім тілам, температура яких вища за абсолютний нуль.

Теплове випромінювання тіла людини переважає фізичні поля, що випромінюються ним і можуть бути зареєстровані. Потужність теплового випромінювання з кожного квадратного сантиметра поверхні тіла становить приблизно 102 Вт, а загальна потужність випромінювання тіла людини ~100 Вт.

Теплове випромінювання тіла людини має неперервний спектр, максимум якого залежить від температури тіла. Із збільшенням температури загальна енергія теплового випроміню­вання зростає, а максимум зсувається в бік менших довжин хвиль. Ці фактори можуть бути використані в медицині, зокрема в діагностиці. У здорової людини розподіл температури по різних точках поверхні тіла досить характеристичний. Але запальні процеси, пухлини здатні значно змінювати місцеву температуру. Таким чином, реєстрація випромінювання різних ділянок поверхні тіла і визначення їх температури може служити діагностичним методом. Такий метод називається термографією. Теоретичну основу цього методу становлять закони теплового випромінювання. Введемо основні характеристики теплового випромінювання.

Потік випромінювання Ф - середня потужність випромінювання за проміжок часу, який значно перевищує період електромагнітних коливань. Потік Ф вимірюється у ватах (Вт).

Потік випромінювання з одиниці площі поверхні тіла називають енергетичною світністю тіла R_е:

Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, називається спектральною густиною енергетичної світності r_λ:

Величина спектральної густини енергетичної світності залежить від довжини хвилі. Залежність r_λ = f(λ) називається спектром випромінювання тіла. Зрозуміло, що енергетична світність по всьому спектру визначається через такий інтеграл:

саме тому R_е називають ще й інтегральною енергетичною світністю.

Введемо характеристики поглинаючої здатності тіла.

Коефіцієнтом поглинання α називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поглинається тілом (Ф_погл), до потоку, що падає на тіло (Ф_пад):

Якщо величина α віднесена до одиничного спектрального інтервалу, то говорять про монохроматичний коефіцієнт поглинання

Тіло, для якого монохроматичний коефіцієнт поглинання дорівнює одиниці у всьому спектральному інтервалі і при будь-якій температурі, називається абсолютно чорним, тобто

М оделлю абсолютно чорного тіла може бути порожнина з дуже малим отвором (рис. 7.36). Промінь будь-якої довжини хвилі, що попав всередину такої порожнини, може вийти з неї тільки після багатократних відбивань. При кожному відбиванні від стінок порожнини частина енергії променю поглинається і лише мізерна частка енергії променів, що попали в отвір, зможе вийти назад; тому коефіцієнт поглинання отвору виявиться близьким до одиниці.

У теорії теплового випромінювання вводять також поняття сірого тіла. Це тіло, коефіцієнт поглинання якого менший за одиницю і не залежить від довжини хвилі. Тіло людини можна вважати сірим в інфрачервоній частині спектра, оскільки його коефіцієнт поглинання у цьому спектральному діапазоні α_λ≈0,9.

На рис. 7.37 відображена залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання довільного тіла від довжини хвилі при даній температурі. При зміні температури характер кривої α_λ = f(λ) може суттєво мінятись: довжини хвиль, що поглинаються при одній температурі, можуть пропускатися при іншій температурі, і навпаки.

Теплове випромінювання підпорядковується таким основним законам: закону Кірхгофа, який виконується для будь-якого тіла, та трьом законам, які виконуються лише для абсолютно чорного тіла - закону випромінювання Планка, закону Стефана-Больцмана і закону зміщення Віна.