4. Тепловое (инфракрасное) излучение.

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

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 = T⁴ гдеR- общее излучение абсолютно чёрного тела;

Т - абсолютная температура тела;

 = 5,67*10^-8Вт/(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):

_max = b/T гдеb= 0б28978*10^-2м* 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.