Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Теплове випромінювання - це електромагнітні хвилі, що випускаються електрично зарядженими частинками в результаті їх теплового руху в речовині.

Металеві стрижні, нагріті в плавильній печі, світяться яскравим світлом. Це теплове випромінювання. Чи випромінюють теплове випромінювання тільки тіла з дуже високою температурою? Виявляється, будь-яке тіло з температурою вище за абсолютного нуля є джерелом цього випромінювання. Чому ж ми не бачимо цього випромінювання, що виходить від навколишніх об'єктів? Відповідь ви знайдете у цій статті.

Причини виникнення теплового випромінювання та його властивості

Всі тіла складаються з атомів або молекул, які знаходяться у вічному безладному русі. Навіть молекули твердих тіл, «замкнені» в кристалічній решітці, роблять хаотичні коливання. Цей хаотичний рух атомів і молекул називається тепловим рухом. Через зіткнення та міжмолекулярні взаємодії енергія окремих молекул постійно змінюється. Вони відчувають прискорення та коливання. Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. Коли заряджена частка рухається з прискоренням, вона випромінює електромагнітну хвилю.

Всі тіла з температурою вище абсолютного нуля (-273,15 ℃, 0К) випускають теплове випромінювання. Електромагнітні хвилі, що падають на тіло, можуть бути поглинені ним. Чим більше енергії поглинає тіло за постійної температури, тим більше енергії воно випромінює. Відношення поглиненого та випущеного випромінювання не залежить від природи тіла - для всіх тіл це та сама функція температури і довжини хвилі.

Чому ми бачимо теплове випромінювання тільки для сильно нагрітих тіл, таких як металевий стрижень у плавильній печі?

Світло - це електромагнітна хвиля. Кожному кольору світла відповідає своя довжина хвилі. Червоне світло має найбільшу довжину хвилі, синє та фіолетове - найменшу. Біле світло - це суміш усіх кольорів, які проявляються у веселці, що утворюється при розщепленні білого світла на крапельках води в атмосфері (рис. 1.).

Мал. 1. Веселка. Кожному кольору світла відповідає своя довжина хвилі, від найвищої для червоного світла до найнижчої для фіолетового.

Коли ви нагріваєте металевий стрижень, наприклад, над газовим пальником приблизно до 500°C, ви помітите, що він починає світитися червоним світлом. У міру збільшення температури стрижня колір світла змінюється помаранчевий, жовтий і потім білий. Підвищення температури викликає випромінювання електромагнітних хвиль з дедалі короткішою довжиною хвилі.Поруч із підвищенням температури стрижень світить дедалі інтенсивніше - говоримо, що збільшується опроміненість, тобто. енергія випромінювання, що виділяється протягом 1 секунди на 1 м2 поверхні тіла.

Всі гарячі тіла світяться. Виявляється, низькотемпературні тіла, які не світяться видимим світлом, також випромінюють, але в діапазоні довжин хвиль більше, ніж видиме світло. Це випромінювання називається інфрачервоним випромінюванням. Він невидимий для наших очей, але несе теплову енергію. Інфрачервоне випромінювання використовується, наприклад, для нагрівання тіла за допомогою спеціальної інфрачервоної лампи (рис. 2). Ми бачимо, що лампа світить досить слабким червоним світлом, але набагато інтенсивнішим є її випромінювання в інфрачервоному діапазоні, невидимому для нас. Ми можемо відчувати його вплив лише у вигляді нагрівання тіла.

Мал. 2. Інфрачервона лікувальна лампа випромінює теплове випромінювання в основному в більш довгохвильовому діапазоні, ніж видиме світло.

Цей приклад показує, що теплове випромінювання не обмежується вузьким діапазоном довжин хвиль. Тіла випромінюють випромінювання будь-якої довжини хвилі в дуже широкому діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного, але максимум цього випромінювання припадає на певний діапазон довжин хвиль, що залежить від температури.

Так, в інфрачервоній лампі максимум випромінювання припадає на діапазон довжин хвиль, що відповідає інфрачервоному випромінюванню, а в інших діапазонах випромінювання набагато слабше. Коли металевий стрижень нагрівається до червоного кольору, крім червоного світла, який ми бачимо, також випромінюється інфрачервоне випромінювання, яке відчувається як відчуття тепла. Подальше підвищення температури призводить до збільшення частки коротких довжин хвиль, у результаті колір стрижня змінюється на жовтий, та був білий. Стрижень, як і раніше, випромінює червоне світло та інфрачервоне випромінювання, але їх частка в загальному випромінюванні менша.

Сонячне світло, що випромінюється поверхнею Сонця при температурі близько 6000 К, містить видиме світло у всьому діапазоні довжин хвиль, а також невидиме для нас ультрафіолетове випромінювання (УФ) з довжинами хвиль коротше, ніж у видимого світла. Саме завдяки цьому випромінюванню ми засмагаємо.

У чому причина того, що переважна довжина хвилі теплового випромінювання зменшується з підвищенням температури? Підвищення температури означає збільшення середньої кінетичної енергії молекул і, отже, збільшення середньої енергії випромінювання, що випускається частинками. Чим більша енергія випромінювання, тим коротша довжина хвилі.

Спектр теплового випромінювання

Зображення, отримані за допомогою космічного телескопа «Хаббл», показують нам незвичайні, динамічні події у Всесвіті. Одна з них показує зіткнення двох галактик, які являють собою величезні скупчення багатьох мільярдів зірок, газу та міжзоряного пилу. Зіткнення викликало вибухову освіту нових зірок. Але як ми можемо дізнатися, які зірки є молодими, які недавно сформувалися, а які – старими? Ми отримуємо цю інформацію, аналізуючи спектри теплового випромінювання зірок.

Мал. 3. Зіткнення двох галактик відбито телескопом Хаббл. Джерело фото - ESA

З досвіду ми знаємо, що тіла за дуже високих температур, такі як рідкий метал або фотосфера Сонця, світяться білим світлом. Якщо пропустити це світло через призму, воно розщеплюється на різні кольори (рис. 4). Кожен колір відповідає своїй довжині електромагнітної хвилі від 400 нм для фіолетового світла до 700 нм для червоного. Розділивши біле світло на окремі кольори, ми отримаємо спектр білого світла (рис. 5).

Мал. 4. Світло розщеплюється у призмі на окремі кольори, створюючи спектр білого світлаМал. 5. Спектр білого світла

Спектр випромінювання - це записане зображення випромінювання, розподіленого за різними довжинами хвиль.

Розщеплення білого світла показує, з яких кольорів складається світло, але не дає інформації про те, яка потужність випромінювання у всіх послідовних місцях колірного спектру. Для більш ретельного вивчення спектра випромінювання необхідно переміщати датчик, наприклад, фотоелемент, вздовж спектра вимірювання потужності кожної довжини хвилі.Виміряна кількість енергії випромінювання у певних діапазонах довжин хвиль світла дозволяє побудувати криву спектрального розподілу (рис. 6.).

Мал. 6. Крива спектрального розподілу показує виміряну енергію випромінювання у певних спектральних діапазонах

На рис. 7 показано криву спектрального розподілу сонячного випромінювання. На вертикальній осі відзначено енергію випромінювання в інтервалі довжин хвиль (λ, λ + Δλ), що випускається в одиницю часу, на горизонтальній осі відзначено довжину хвилі випромінювання з діапазоном довжин хвиль видимого світла. Випромінювання Сонця виходить далеко за межі цього діапазону. Воно містить ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі коротше, ніж у видимого світла, та інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі більше, ніж у видимого світла. У сонячному випромінюванні містяться всі довжини хвиль видимого світла, тому ми сприймаємо сонячне світло як біле.

Мал. 7. Крива спектрального розподілу сонячного випромінювання – залежність інтенсивності випромінювання від довжини хвилі

Максимум графіка знаходиться на довжині хвилі близько 500 нм, що відповідає зеленому кольору.

Положення максимуму випромінювання визначається температурою тіла, що випромінює випромінювання. Що температура, то менше довжина хвилі максимуму випромінювання (рис. 8.). З цієї причини, коли нагріте тіло починає світитися, воно спочатку світиться червоним світлом, а в міру підвищення температури колір змінюється на жовтий і, нарешті, на білий, оскільки збільшується частка світла більш коротких довжин хвиль.

Мал. 8. Криві спектрального розподілу теплового випромінювання для різних температур випромінюючого тіла

Випромінювання, що випускається людьми і більшістю навколишніх предметів, не видно, оскільки максимум випромінювання лежить в інфрачервоному діапазоні. Наші очі не можуть сприймати таке випромінювання, але його можна виявити за допомогою тепловізійної камери, яка реєструє інфрачервоне випромінювання.

Криві спектрального розподілу теплового випромінювання для вищих температур вище, ніж нижчих. Це означає, що зі збільшенням температури тіла загальна енергія випромінювання зростає. Область під графіком (див. рисунок 7) - це міра загальної енергії, що випромінюється одиницею площі тіла. Енергія, що випромінюється одиничною поверхнею, сильно залежить від температури. Ось чому тіла з дуже високою температурою світяться набагато яскравіше, ніж тіла з нижчою температурою.

Формули, що відображають залежність теплового випромінювання від температури

Отже, максимум кривої спектрального розподілу випромінювання зміщується у бік більш коротких довжин хвиль зі збільшенням температури. Довжина хвилі ?-3м·К - коефіцієнт пропорційності (постійна вина). Ця формула називається законом усунення Вина.

Аналіз графіків на рис. 8 дозволяє зробити ще один висновок. Ми бачимо, що криві для більш високих температур лежать все вище та вище. Це означає, що з підвищенням температури тіла загальна енергія випромінювання зростає. Ці стосунки дуже міцні. Енергія випромінювання прямо пропорційна T4Залежність енергії випромінювання від температури, звана законом Стефана - Больцмана, має такий вигляд: E=σT4 , де

де E - енергія, що випромінюється з одиниці площі тіла та в одиницю часу, T - температура за шкалою Кельвіна, і σ - постійна Стефана - Больцмана, яка дорівнює: σ=5,67 - 10-8Вт / (м2· К4).

Знання кривої спектрального розподілу дозволяє визначити температуру далекого об'єкта, що світиться. Якщо ми визначимо довжину хвилі, що відповідає максимуму кривої, потім після перетворення формули Вина отримуємо значення температури об'єкта: T=b / λmax .

Таким чином, не залишаючи Землі, визначається температура Сонця та інших зірок. Виявляється, наше Сонце випромінює так, що крива спектрального розподілу відповідає температурі близько 5800 К - середній температурі поверхні Сонця.

Якщо ми знаємо відстань до зірки, ми можемо визначити її діаметр на основі аналізу теплового випромінювання. Інтенсивність випромінювання зменшується з відстанню, але, знаючи відстань, ми можемо розрахувати повну енергію, що випромінюється зіркою. Тепер достатньо розділити загальну енергію на енергію, що випромінюється на одиницю площі, отриману із закону Стефана-Больцмана, щоб отримати площу диска зірки, з якою випромінювання досягає нас.

Список використаної літератури

    Ташликова-Бушкевич І. І. Фізика. Уч. допомога. О 2 год. Ч. 2. Мінськ, 2008.
  1. Савельєв І. В. Курс загальної фізики. - Т. 3. Квантова оптика. Атомна фізика. Фізика твердого тіла. Фізика атомного ядра та елементарних частинок.
  2. Kuenzer, C. і S. Dech (2013): Thermal Infrared Remote Sensing: Sensors, Methods, Applications (=Remote Sensing and Digital Image Processing 17). Dordrecht: Springer.
  3. Фізика. 11 клас: навч. для загальноосвіт. установ: базовий та профіл. рівні / Г. Я. Мякішев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругін; за ред. В. І. Ніколаєва, Н. А. Парфентьєвої. - 19-те вид. - М.: Просвітництво, 2010. - 399 с.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво