Как открыли инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение

Тепло может передаваться теплопередачей, конвекцией и излучением. Излучение, передающее тепло, называется инфракрасным. Поговорим об этом виде излучения, о его характеристиках и особенностях.

Открытие инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение было открыто астрономом У. Гершелем в 1800 г.

В это время астрономические приборы достигли уже такой высокой точности, что тепловое расширение их деталей существенно влияло на результаты измерений. При наблюдениях звезд и планет обеспечить постоянство температуры несложно, однако при исследовании Солнца нагрев инструментов оказался значительной проблемой.

Разлагая солнечный свет в спектр, У. Гершель установил, что разные участки спектра нагревают вещество по-разному: красная часть спектра греет значительно сильнее, чем фиолетовая, а максимум тепла вообще приходится на участок «за видимым преломлением».

В дальнейшем благодаря работам Т. Юнга и О. Френеля было доказано, что инфракрасное излучение, как и свет, представляет собой электромагнитное излучение.

Генерация инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение, как и любое другое электромагнитное излучение, генерируется колеблющимися заряженными частицами. В данном случае — это тепловое движение атомов и молекул.

Хаотичность движения определяет непрерывность ИК-спектра. Можно указать лишь зону наибольшей мощности теплового излучения, которая соответствует наиболее часто встречающейся частоте тепловых движений. Однако в любом нагретом теле присутствуют частицы, имеющие самую разную скорость, а поэтому и ИК-спектр получается непрерывным.

Длину волны, соответствующую максимуму излучения тела, нагретого до абсолютной температуры $T$, можно найти с помощью закона смещения В. Вина. Согласно ему длина волны, которую излучают поверхности инфракрасного излучения на максимальной мощности, связана с температурой простым соотношением:

• $lambda_$ — длина волны теплового излучения максимальной мощности, м;
• $T$ — абсолютная температура, К.

Свойства инфракрасного излучения

На шкале электромагнитных волн инфракрасное излучение занимает длину волн от 1 мм (частота 300 ГГц) до 0,75 мкм (частота 400 ТГц):

Весь диапазон условно разделен на следующие поддиапазоны:

• Менее 3 мкм — ближний инфракрасный диапазон. Длинноволновая граница этого диапазона определяется ухудшением прозрачности воды для более длинных волн.
• 3–50 мкм — средний инфракрасный диапазон. Это диапазон, в котором излучает большинство тел, имеющих невысокие температуры (от –215 до 700 ⁰С).
• Более 50 мкм — дальний инфракрасный диапазон, простирающийся до микроволнового излучения по шкале электромагнитных волн.

Несмотря на то, что все свойства инфракрасного излучения практически такие же, как у видимого света, оптические свойства различных веществ по отношению к ИК-излучению существенно различаются. Например, сухой и чистый воздух практически прозрачен для инфракрасного излучения, однако наличие в воздухе паров воды и углекислого газа резко уменьшает его прозрачность.

Также влияют на прозрачность воздуха микрочастицы пыли, поскольку твердые вещества, как правило, непрозрачны для инфракрасного излучения, хотя бывают исключения.

Например, обычное стекло достаточно хорошо пропускает ближний ИК-диапазон, но задерживает дальний. На этой разнице основан парниковый эффект теплиц. Солнечное излучение легко проникает сквозь стеклянную поверхность, но земля излучает гораздо более длинные ИК-волны, которые стекло не пропускает.

Свойства ИК-излучения определяют области его применения. В первую очередь — это бесконтактное измерение температуры тел.

Что мы узнали?

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение тел, генерируемое в результате теплового движения атомов и молекул нагретого тела. Условно разбито на три поддиапазона. Длина волны максимальной мощности определяется законом В. Вина.

Характерные свойства инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение — это тип электромагнитных волн, которые имеют частоту намного ниже света, что видит человек. Длина волн в данном случае варьируется от 0.7 мкм до 1 мм. Инфракрасное излучение представляет собой элемент электромагнитного спектра, который находится между радиоволнами и светом, который видит человек.

Открытие инфракрасного излучения произошло почти двести лет назад, в 1800 году, в результате исследований немецкого астронома Фредерика Уильяма Гершеля. Он открыл, что температурные изменения могут влиять на свет, излучаемый объектом. Ученый заметил, что объекты, которые были нагреты до конкретной температуры, начинают излучать свет, что глаз человека не может видеть.

Самым ярким примером инфракрасного излучения можно считать излучения тепла от Солнца. Его нельзя увидеть, но человек точно его ощущает в качестве тепла на собственной коже.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Варианты применения инфракрасного излучения

Данное явление возможно использовать в разных сферах жизни человека. К примеру, термометры на базе ИИ применяются для того, чтобы измерить температуру человеческого тела. К тому же, их можно использовать для контроля температурного режима на промышленных объектах. Инфракрасные датчики движения используются для автоматического включения света в помещении. Камеры на базе ИИ дают возможность увидеть предметы, которые находятся в темном или задымленном пространстве.

Такой тип излучения применяется для передачи тепла. Например, инфракрасные обогреватели можно использовать для отопления пространств и для того, чтобы просушить материал. К тому же, ИИ применяют в медицинских целях для излечения различных ранений и болезней.

Использование в научной и технологической сферах

Инфракрасное излучение играет важную роль в научной области и технологиях. Оно применяется для нахождения и исследования объектов, которые невозможно видеть при помощи обычных средств, например, в рамках астрономии. Инфракрасное излучение также можно использовать для оценки различных составов вроде красок и пластмассы.

Кто и в каком году открыл инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение открыл в 1800 году английский ученый с немецкими корнями Уильямом Гершелем.

Так выглядел Гершель:

Гершель родился в Ганновере, Германия, в 1738 году. В 1757 году он переехал в Англию, где начал свою карьеру музыканта и композитора. В 1781 году он открыл планету Уран, что привело к его избранию членом Королевского общества. Он также был известен своими исследованиями солнечной системы и звезд.

Так выглядит Уран:

В 1800 году Гершель начал исследовать тепловое излучение, которое производится при различных температурах. Для этого он использовал прибор, который получил название термометра. Он состоял из серии тонких стеклянных пластин, каждая из которых была покрыта тонким слоем меди. Когда пластины были нагреты, они излучали инфракрасное излучение, которое было затем отражено обратно на другую сторону пластины. С помощью этого эксперимента, Гершель смог показать, что такой вид излучения обладает длиной волн в несколько раз больше света, что видит человек.

Примечание 1

Открытие ИИ способствовало созданию новых приборов и технологическим открытиям. Сегодня инфракрасное излучение активно применяется в разных сферах жизни вроде медицинской, промышленной, научной. Его применяют для вычисления температурных показателей, диагностирования различных болезней и нахождения скрытых недочетов в разных материалах. Например, аппараты, использующие инфракрасное излучение, помогают в диагностике рака кожи или обнаружении утечек тепла в зданиях.

Открытие инфракрасного излучения Вильямом Гершелем было важным шагом в развитии науки и технологий. Благодаря его исследованиям и открытию, мы можем использовать инфракрасное излучение для множества приложений, которые сегодня невозможны без этого открытия.

Изучение истории научных открытий помогает нам лучше понимать принципы, на которых основаны наши современные технологии. Без открытий, сделанных учеными, такими как Гершель, мы бы не имели многих важных изобретений, которые мы используем в нашей повседневной жизни.

Источники

ИИ — элемент электромагнитного спектра, который располагается между микроволнами и светом, что может видеть человек. Многие объекты могут излучать ИИ, включая объекты тепла, электрические приборы, живые организмы и даже саму Землю.

Основными его источниками являются:

1. Источники теплового типа. Это одни из самых часто встречающихся источников данного типа излучения. Явления вроде огня, раскаленного металла, тел животных и людей излучают инфракрасное излучение. Некоторые из этих источников видимы, например, пламя газовой горелки. Тепловые источники широко используются для обогрева и освещения в сельском хозяйстве, промышленности, быту и различных технологиях.
2. Электрические источники. Электрические источники излучают инфракрасное излучение при передаче электрического тока через проводники. Это такие устройства, как электрические лампы, нагревательные элементы и пушки тепла. Применение электрических источников инфракрасного излучения активно распространено в разных сферах деятельности, в том числе в медицине, производстве, научной и повседневной областях.
3. Инфракрасный излучатель. Инфракрасный излучатель — это электрическое устройство, способное генерировать инфракрасное излучение. Они используются в промышленности для нагрева материалов и в медицине для физиотерапии. Эти приборы также используются в автоматических системах контроля температуры или для обнаружения объектов в темноте.
4. Природные источники. Инфракрасное излучение также происходит от некоторых природных источников, таких как Солнце, звезды и планеты. Внутри Земли, тепловые процессы могут создавать нагретые источники, которые создают инфракрасное излучение. Данное явление можно использовать для нахождения и изучения геотермальных источников и других природных ресурсов.

Инфракрасное излучение — важное явление в природе и технологии. Его источники разнообразны, от тепловых и электрических источников до специальных устройств, которые создают ИИ.

Свойства (особенности)

Инфракрасное излучение обладает множеством свойств, которые делают его полезным во многих научных областях и технологиях.

К основным характеристикам ИИ относятся:

1. Поглощение и излучение. Одно из главных характеристик данного типа излучения является его способность поглощаться и излучаться телами, которые находятся в жидком и твердом состоянии. Данное свойство активно применяется в рамках термографии, в которой инфракрасное излучение применяют для нахождения показателей температуры объекта\тела. Термография является важным инструментом в разных сферах, в том числе в медицинских, технологических и научных. В рамках медицинской сферы термография применяется для нахождения заболеваний вроде рака при помощи фиксирования трансформации показателей температуры внутри тканей. В рамках технологии термографии применятся для надзора качества, нахождения недочетов и многих других приложений.
2. Проникновение. Данный тип излучения обладает способностью проходить сквозь множество материалов вроде тех, что сделаны из стекла, пластика, ткани. Свет, который видит человек, проникать через них не умеет. Данное свойство делает инфракрасное излучение нужным для многих областей вроде медицинской, термографической, а также для обеспечения безопасности. В рамках обеспечения безопасности его применяют для того, чтобы найти скрытые объекты и людей, часто используют в местах массового скопления людей вроде аэропортов и вокзалов. В медицинской сфере его применяют для нахождения и решения многих проблем в организме человека.
3. Излучение тепла. Одно из основных свойств инфракрасного излучения — его способность излучать тепло. Это свойство делает его полезным в многих технологических приложениях, включая отопление, сушку и кулинарию. В сельском хозяйстве, инфракрасное излучение используется для обогрева животных и растений. В кулинарии, инфракрасное излучение используется для быстрого и равномерного приготовления пищи.

Диапазон

Инфракрасное излучение — это один из видов электромагнитного излучения, который располагается в спектре между видимым светом и радиоволной. Он невидим для глаза человека, но может быть обнаружен инфракрасными датчиками и камерами. Инфракрасное излучение обладает свойством проникать сквозь туман, дым и другие препятствия, что делает его незаменимым в таких областях, как наблюдение за погодой, дистанционное зондирование земли и термография.

Диапазон инфракрасного излучения располагается между 700 нм и 1 мм в длине волны, включая ближний, средний и дальний инфракрасный спектр. Выделяют следующие спектры:

1. Ближний инфракрасный спектр. Ближний инфракрасный спектр включает длины волн от 700 до 1400 нм. Он используется в медицине, чтобы измерять уровень кислорода в крови и пульс. Ближний инфракрасный спектр также используется в промышленности для контроля качества продукции, например, для определения толщины пленки на упаковке или для идентификации материалов.
2. Средний инфракрасный спектр. Средний инфракрасный спектр включает длины волн от 1400 до 3000 нм. Он используется для обнаружения газовых утечек и тепловизионных камер, которые позволяют видеть тепловое излучение тел и объектов вокруг нас. Также средний инфракрасный спектр используется в медицине для диагностики заболеваний, например, для поиска изменений в сосудах глаза.
3. Дальний инфракрасный спектр. Дальний инфракрасный спектр включает длины волн от 3000 до 1 мм. Он используется в астрономии для наблюдения за звездами и планетами. Дальний инфракрасный спектр также используется в военных целях для обнаружения тепловых следов и при поиске людей в темноте. Кроме того, дальний инфракрасный спектр применяется в инженерии и научных исследованиях, например, для анализа материалов и контроля температуры.

Инфракрасное излучение имеет множество применений в нашей жизни, от медицины до военных целей. Ближний, средний и дальний инфракрасный спектры используются в различных отраслях для разных целей. Благодаря использованию инфракрасных технологий, мы можем видеть и измерять то, что невидимо для глаз обычного человека. Сегодня инфракрасные технологии широко используются в различных сферах, таких как медицина, наука, промышленность, астрономия и военное дело, и продолжают развиваться, что делает их еще более полезными в нашей жизни.

Применение

Инфракрасные лучи используются в различных областях, от науки до медицины.

1. Применение в науке. Инфракрасное излучение применяется в научных исследованиях для изучения различных материалов и объектов. Оно может быть использовано для анализа состава материалов, определения температуры объектов и изучения молекулярной структуры веществ. Например, в химии инфракрасная спектроскопия позволяет исследовать химические свойства материалов и определять их структуру. В геологии инфракрасное излучение используется для обнаружения и исследования минералов и почвы. В астрономии инфракрасные телескопы позволяют исследовать космические объекты, которые невозможно увидеть с помощью обычных телескопов.
2. Применение в медицине. В медицине инфракрасное излучение широко применяется для диагностики и лечения различных заболеваний. Оно может быть использовано для измерения температуры тела, определения проблем с кровообращением и уменьшения боли в мышцах и суставах. Например, инфракрасные тепловые камеры используются для обнаружения изменений температуры на поверхности тела, что может свидетельствовать о проблемах со здоровьем. Инфракрасное излучение также используется для лечения боли в суставах и мышцах, так как оно способствует улучшению кровообращения и уменьшению воспаления.
3. Применение в технологии. Инфракрасные лучи широко используются в технологии для создания различных устройств, таких как дистанционные управления и системы безопасности. Они также используются в производственных процессах для контроля температуры и качества продукции. Например, инфракрасные камеры используются для контроля температуры в печах и плавильных котлах, а инфракрасные сканеры используются для обнаружения дефектов в продукции.

Инфракрасное излучение имеет широкий спектр применения в различных областях, от науки до медицины и технологии. Его свойства позволяют использовать его для анализа и изучения объектов, диагностики и лечения заболеваний, а также для создания различных устройств и контроля производственных процессов. Более того, инфракрасное излучение является эффективным и безопасным способом для получения информации о материалах и объектах, что делает его незаменимым инструментом в современном мире.

Вред и польза инфракрасного излучения: влияние на человеческий организм

В наше время многие люди сталкиваются с проблемами, связанными с воздействием инфракрасного излучения на организм. Инфракрасное излучение, как и любое другое, может иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Однако, если наша кожа и глаза не защищены, длительное воздействие инфракрасного излучения может привести к серьезным заболеваниям.

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, которое находится за красным цветом в спектре видимого света. В термическом отношении, оно является нагревающим излучением, которое передается через воздух и может поглощаться твердыми телами. Если организм человека находится в зоне длительного воздействия инфракрасного излучения, то это может привести к перегреву тканей и ожогам.

Примечание 2

Например, если человек находится в тепловой камере, где инфракрасное излучение является единственным источником тепла, он может получить серьезное ожоговое поражение. Кроме того, длительное воздействие инфракрасного излучения на кожу может привести к преждевременному старению кожи, а также к развитию рака кожи.

Кожа является наиболее уязвимым органом в отношении воздействия инфракрасного излучения. Последствия длительного воздействия могут быть крайне серьезными. Поэтому, необходимо принимать меры по защите кожи и глаз от вредного воздействия инфракрасного излучения.

Чтобы избежать вредного воздействия инфракрасного излучения на организм, нужно защитить кожу и глаза. Для защиты кожи можно использовать кремы с высоким уровнем защиты от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Также необходимо носить защитные очки, которые способны блокировать инфракрасное излучение. Существует множество различных средств защиты кожи от инфракрасного излучения, включая кремы, лосьоны, гели и спреи.

Некоторые профессии, такие как повара, работники пекарни и техники по обслуживанию печей, также могут столкнуться с риском воздействия инфракрасного излучения. Для этих работников необходимо использовать специальную защитную одежду, которая может предотвратить ущерб здоровью.

Польза

Это излучение имеет множество полезных приложений, которые включают в себя медицинское лечение, косметические процедуры, а также применение в промышленности и технологии.

1. Медицинское лечение. Инфракрасное излучение широко используется в медицине, где оно помогает в лечении различных состояний, таких как мышечные боли, артрит и травмы. Это происходит благодаря тому, что инфракрасное излучение улучшает кровообращение и ускоряет процесс заживления тканей. Кроме того, инфракрасное излучение также может использоваться в области физиотерапии для уменьшения боли и улучшения движения в суставах.
2. Косметические процедуры. Инфракрасное излучение также может использоваться в косметических процедурах, таких как лечение прыщей и морщин. Инфракрасное излучение способствует производству коллагена, который помогает сохранять кожу упругой и молодой. Кроме того, оно может помочь в лечении покраснений и других проблем кожи.
3. Промышленное применение. Инфракрасное излучение широко применяется в промышленности. Оно может быть использовано для обогрева материалов, сушки покрытий, а также для сварки и пайки металла. Это позволяет повысить эффективность и производительность процессов в промышленности. Кроме того, использование инфракрасного излучения в промышленности может помочь в экономии энергии и уменьшении выбросов вредных веществ в атмосферу.

Инфракрасное излучение может быть как полезным, так и вредным для организма человека. Однако, если не принимать меры по защите от вредного воздействия, оно может привести к серьезным последствиям для здоровья. Поэтому, необходимо соблюдать меры предосторожности и защищать свое тело от инфракрасного излучения. Использование средств защиты кожи и глаз, а также специальной защитной одежды поможет предотвратить ущерб здоровью и сохранить здоровье на долгие годы.

Насколько полезной была для вас статья?

Открытие ИК-излучения

Думаю, вам будет интересно узнать об истории открытия ИК-излучения и об ученых, причастных к этому великому открытию. Эти фундаментальные принципы и свойства инфракрасного излучения сейчас используются во всех современных инфракрасных тепловизорах.

Гипотеза о существовании невидимых «тепловых» лучей является весьма древней. Еще римский философ-материалист Тит Лукрецкий Кар, живший до нашей эры, в своем сочинении «О природе вещей» писал:

[quote align=»center»]
Может быть, также небес светильник розовый — Солнце
Множеством жарких огней обладает, невидимых нами,
Что окружает его совершенно без всякого блеска,
Лишь умножая своей теплотою лучей его силу.
[/quote]

Titus Lucretius Carus

На таком философском поэтическом уровне представления об излучении оставались в основном вплоть до XVII в., когда эксперимент стал составной частью науки и начались систематическое исследование теплового излучения. В последней четверти XVIII в. широкое применение паровых машин в металлургической и химической промышленности, тесно связанных с тепловыми процессами, стимулировало развитие учения о теплоте.

Предыстория (1777 — 1800 г.г.)

Впервые понятие о тепловом излучении было введено выдающимся швед­ским химиком Карлом Шееле, посвятившим свойствам «лучистой теплоты» отдельную главу в «Химическом трактате о воздухе и огне» (1777). В своих наблюдениях теплового излучения Шееле не применял термометрических измерений, поэтому его опыты носили чисто качественный характер.

Johann Heinrich Lambert

Через два года после опубликования трактата Шееле посмертно вышла «Пирометрия» немецкого математика и физика Иоганна Ламберта. В ней были описаны опыты, согласующиеся с наблюдениями Шееле. Ламберт впервые экспериментально доказал, что тепловые лучи распространяются прямоли­нейно и что их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Понятие «лучистая теплота» продержалось в литературе в течение всего XIX в. Даже в первой четверти XX в. профессор О. Д. Хвольсон вел борьбу против этого укоренившегося в учебниках физики термина как устаревшего, не соответствующего новейшему развитию этой науки. Правда, Хвольсон отказывался не только от термина «лучистая теплота», но и от принятого в но­вейшей литературе термина «тепловое излучение».

И Шееле, и Ламберт видели и подчеркивали сходство между тепловыми и световыми лучами (прямолинейное распространение, отражение), но о тож­дестве их не могло быть и речи. Лишь дальнейшее развитие теории теплового излучения и ее подтверждение экспериментальными данными привело к бо­лее глубокому пониманию взаимосвязи теплового и светового излучений.

В 1790 г. появилось сочинение «Опыт об огне» профессора Женевской академии, а в дальнейшем и ее президента Марка Пикте, в котором описы­вался знаменитый опыт с «отражением холода». Пикте установил два вогну­тых зеркала из полированного олова диаметром 30,5 см и фокусным расстоя­нием 11,4 см на расстоянии 365 см друг от друга. Помещая в фокусе одного зеркала нагретый шар диаметром 5 см, Пикте обнаружил, что показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, на 10° превышают показания термометра, установленного не в фокусе. После того как шарик термометра был покрыт сажей, термометр показал большее повышение температуры. При применении стеклянных зеркал вместо металлических ничего подобного не замечалось. Пикте пытался также измерить скорость распространения теплового излуче­ния, помещая для этого стеклянную пластину между зеркалами, и затем быстро удаляя ее, но, разумеется, безрезультатно.

При обсуждении своих опытов с другими учеными у Пикте возник воп­рос, не может ли отражаться также и холод? Вначале это предположение показалось Пикте нелепым. «Холод — эго только недостаток теплоты, а от­рицание не может отражаться». Для доказательства этого Пикте восполь­зовался своей установкой с вогнутыми зеркалами и поместил в фокус одного зеркала сосуд со снегом. Тотчас же показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, снизились на несколько градусов относительно температуры окружающего воздуха. После того, как снег был полит азотной кислотой, показания термометра уменьшились еще на 5…6°С.

Результат опыта поразил Пикте. В дальнейшем он его объяснил тем, что если во взаимодействии находятся два тела неодинаковой температуры, то более теплое тело отдает теплоту и его температура понижается, а более хо­лодное принимает теплоту и повышает свою температуру. Когда температура обоих тел одинакова, никакой отдачи и поглощения тепла не существует.

Объяснением Пикте устранялось понятие «лучей холода» и подчерки­валось, что «отражение холода» только кажущееся, что в действительности при замене теплого шара сосудом со снегом происходит отражение теплового излучения. Это объяснение исходило из позиции статического равновесия, одностороннего теплового излучения только в направлении от теплого те­ла к холодному.

Профессор Женевской Академии Пьер Прево в 1771 г. высказал мысль о том, что тела, имеющие одинаковую температуру, все же обмениваются излучением. Он первый показал, что энергетическое равновесное состоя­ние носит динамический характер. Согласно Прево всякое нагретое тело ис­пускает тепловые лучи, подобно тому, как всякое светящееся тело испускает световые лучи. Тепловые лучи представляют собой тепловые частицы, дви­жущиеся в пространстве прямолинейно с большой скоростью. Все простран­ство пронизано этими лучами из тепловых частиц. Каждую точку на поверх­ности нагретого тела можно рассматривать как центр, из которого испускают­ся тепловые частицы во всех направлениях и к которому эти частицы прите­кают со всех сторон. Иными словами, каждое тело постоянно излучает тепло­ту и получает благодаря такому же излучению теплоту от окружающих тел. Отношение между этими количествами теплоты определяет температуру тела. По образному выражению Прево, «любое тело ведет себя как озеро, в котором от дождя прибывает столько же воды, сколько ее убывает благодаря происходящему в то же время испарению».

Открыте Уильямя Гершеля (1800 г.)

Фридрих Вильгельм (Уильям) Гершель родился в Ганновере (Германия) 15 ноября 1738 г. С детства занимался музыкой и играл в оркестре, как и его отец. В возрасте 19 лет перебрался в Англию, где приобрёл известность как музыкант и преподаватель музыки. Интерес к музыкальной теории привёл Гершеля к математике. От неё увлечение перешло на оптику, через которую он познакомился с астрономией. Не имея средств для покупки телескопа, Гершель стал сам шлифовать зеркала и конструировать телескопы, а в дальнейшем сам изготавливал оптические приборы как для собственных наблюдений, так и на продажу. В области астрономии Гершелю принадлежат множество достижений и открытий: изготовление самого большого телескопа своего времени, открытие планеты Уран, открытие спутников Сатурна и Урана, открытие двойных и кратных звёзд, составление каталогов звездных скоплений и туманностей. На сайте вы найдете отдельную статью о выдающейся личности Уильяма Гершеля.

Знаменитый опыт Гершеля

В начале 1800 г. Гершель заметил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры телескопов, по-разному поглощают свет и тепло солнечных лучей. Это показалось Гершелю любопытным, и он провел серию опытов для того, чтобы уточнить распределение интенсивности теплового воздействия по спектру солнечных лучей, получаемому посредством стеклянной призмы. Помещая чувствительный термометр с зачерненным шариком и каж­дую цветную полосу солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показа­ния термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой полосы к красной. У него возникла мысль, что возрастающее тепловое действие лу­чей не должно оборваться на красных лучах, дающих максимум теплоты. Впервые в истории науки Гершель стал измерять температуру за пределами спектра и обнаружил существование невидимых лучей, «обладающих наи­большей нагревательной силой».

Гершель объяснил это явление невидимым тепловым излучением.

О своем открытии Гершель сделал сообщение на заседании Лондонского Королевского общества 27 марта 1800 г. Спустя примерно месяц он сделал второе сообщение о проведенных двадцати экспериментах, которые показали, что невидимые тепловые лучи отражаются и преломляются так же, как и ви­димый свет. В этих экспериментах Гершель использовал металлическое зер­кало, установленное под углом 45° за пределами красной полосы спектра, а также стальное вогнутое зеркало и стеклянную призму.

Гершель с сестрой Каролиной

Придерживаясь корпускулярной теории света Ньютона, он утверждал, что «лучистая теплота идентична со светом». В процессе дальнейших иссле­дований свойств теплового излучения Гершель стал сомневаться в правиль­ности этого вывода и уже в третьем сообщении (15 мая 1800 г.) пытался дока­зать «поразительные существенные различия между светом и теплотой». В частности, он отмечал различия в прохождении лучей через разные ве­щества. «Оба вида лучей, — писал Гершель, — подчинены различным зако­нам сродства, и, следовательно, они по своей природе различны, несмотря на то, что имеют большое подобие в отношении преломления и отражения».

Любопытно, что за пределами собственно астрономии и ближайших к ней областей физики научные взгляды Гершеля были весьма причудливы. Он, например, полагал, что все планеты обитаемы, что под горячей атмосферой Солнца находится плотный слой облаков, а ниже — твердая поверхность планетарного типа, и т. п.

Продолжение исследований

Открытие Гершеля произвело сильное впечатление на его современников, однако, недостаточная убедительность некоторых его опытов и сомнения са­мого Гершеля послужили поводом для противоречивых толкований его от­крытия. Наиболее рьяным противником идеи существования невидимого из­лучения, способного производить тепловые эффекты, выступил английский физик Джон Лесли — профессор Эдинбургского университета. Он утверждал, что понятие о невидимых лучах содержит в себе внутреннее противоречие и считал, что «воображаемые невидимые солнечные лучи являются ничем иным, как нагретым воздухом, окружающим светящееся тело».

Для проверки результатов Гершеля Лесли самостоятельно провел ана­логичный эксперимент, разложив солнечный спектр с помощью призмы из флинтгласа. Измерение температуры производилось специально сконструи­рованным для этого эксперимента дифференциальным ртутным термометром.

Лесли обнаружил увеличение показаний термометра по мере продвиже­ния от голубой полосы спектра к красной, где температура была максималь­ной. За пределами же красной полосы не было замечено никакого увеличения температуры. Лесли утверждал, что опыты Гершеля выполнены недостаточно тщательно, подвержены многочисленным неточностям и вообще представ­ляются «неразумной затеей».

Лесли поддержал ректор Эдинбургского университета Давид Брюстер, который считал, что в опытах Гершеля нагревались сами призмы и испуска­ли тепловые лучи. Критика Лесли, несмотря на ошибочное отрицание реаль­ного существования инфракрасных лучей, имела и положительное значение. Она вскрыла непоследовательность в рассуждениях Гершеля и явилась толч­ком для развязывания дискуссии, способствовавшей выяснению природы теп­лового излучения.

Одним из первых признал открытие Гершеля Пьер Прево. Он считал его решительным доказательством аналогии между световыми и тепловыми лу­чами. «Различие между прохождением света и теплоты сквозь тела, — писал он, — не свидетельствуют о различии или тождестве света и теплоты». Идеи Гершеля были поддержаны также английским физиком Томасом Юнгом, который уже в 1802 г. высказал предположение о том, что световые лучи от­личаются от тепловых лишь частотой колебаний. По его мнению, открытие Гершеля о меньшей преломляемости невидимых лучей по сравнению с види­мыми явилось крупнейшим со времен Ньютона.

Вслед за открытием Гершеля целая плеяда исследователей начала искать положение участка в спектре, соответствующего максимуму теплового эф­фекта. Среди них следует назвать Энглфилда, Вюнша, Берара и Поуэла. Большую ясность в противоречивые результаты, полученные ими, внес Зеебек, показав, что в призмах из флинтгласа такой максимум всегда обнаруживается за пределами красного конца спектра.

К 1830 г. опыты Гершеля были повторены в достаточном количестве для того, чтобы считать окончательно установленным факт существования невидимых лучей, расположенных за красной частью видимого солнечного спектра. Эти лучи позже были названы французским физиком Беккерелем инфракрасными.

Использованы материалы: Википедия; Розенберг Ф. “История физики”; Криксунов Л.З. “Справочник по основам инфракрасной техники”.

Инфракрасное излучение

Что такое инфракрасное излучение? Мы узнали, что тепловые лучи были открыты Гершелем в 1800 году. Чтобы разобраться в природе теплового (инфракрасного) излучения и его взаимодействия с окружающими нас объектами придется немного углубится в теорию. Начнем с определения.

[quote align=»center»]Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (от λ = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (до λ = 1 мм).[/quote]

Электромагнитное излучение с самыми разными длинами волн окружает нас повсеместно и постоянно. Видимый свет — это тоже электромагнитные волны, которые ощущает человеческий глаз по интенсивности и спектральному составу (цвету). Для восприятия всех других электромагнитных волн нам нужны технические средства. С их помощью мы слушаем радио, смотрим телевизор, делаем рентген. И только инфракрасное излучение от нагретых предметов может воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Поэтому ИК-излучение иногда называют «тепловым» излучением.

Самым мощным инфракрасным излучателем, безусловно, является Солнце. Около 50% излучения Солнца лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасный спектр.

Инфракрасное излучение делят на условные диапазоны. Наименования и границы этих диапазонов связаны с техническими устройствами и задачами, решаемыми ими. Поэтому можно найти несколько вариантов деления. Приведу наиболее распространенный в сфере тепловизионного контроля:

• ближняя область (Near-infrared, NIR): λ = 0,74 — 1,4 мкм;
• коротковолновая область (Short-wave, SW): λ = 1,4 — 3 мкм;
• средневолновая область (Mid-wave, MW): λ = 3 — 5 мкм;
• длинноволновая область (Long-wave, LW): λ = 8 — 14 мкм;
• дальняя область (Far infrared, FIR): λ = 14 — 1000 мкм.

Диапазоны NIR и SW иногда называют «reflected infrared», так как в этих диапазонах при обычных температурах регистрируется не собственное, а только отраженное от объекта ИК-излучение. Основные рабочие в тепловидении диапазоны MW и LW иногда называют «thermal infrared», так как в них регистрируется собственное тепловое излучение объектов, связанное с их температурой.

Границы этих рабочих тепловизионных диапазонов определены окнами прозрачности атмосферы. Дело в том, что проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха ослабляют ик-излучение в результате рассеяния, которое значительно меньше, чем для видимого света. Особенно сильно поглощают ик-излучение пары воды и углекислый газ. К дополнительному ослаблению инфракрасного излучения приводит наличие в атмосфере взвешенных частиц: дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман), а также осадки (снег, дождь).

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова, они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Таким образом, все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, непрерывно излучают энергию. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

При температурах ниже 500°С излучение тела почти целиком расположено в инфракрасной области, такое тело можно увидеть глазом только при освещении, само оно не светится. При повышении температуры спектр излучения смещается в видимую область (доля излучения в видимой области увеличивается) и тело начинает само светиться. Сначала тёмно-красным, затем красным, жёлтым уже при очень высоких температурах оно кажется белым (цвета каления). При этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

Для описания законов излучения применяют модель идеального объекта — абсолютно черного тела (АЧТ). На сайте есть отдельная статья про АЧТ с более подробным описанием. Следующие законы описывают характеристики ик-излучения:

• формула Планка (распределение энергии теплового излучения по длинам волн в зависимости от температуры),
• закон Стефана-Больцмана (зависимость мощности излучения тела от его температуры),
• закон смещения Вина (длина волны, на которую приходится максимум излучения при заданной температуре).

Связь мощности инфракрасного излучения с температурой поверхности используется для бесконтактного измерения температуры в инфракрасных пирометрах и тепловизорах.

Хотя инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и имеет ту же природу, что и видимый свет, взаимодействие ик-излучения с объектами имеет свои особенности. Это связано с тем, что оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой области.

Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в инфракрасных областях и наоборот. Например, небольшой слой воды непрозрачен для ик-излучения. Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (из этих материалов изготавливают линзовые объективы тепловизоров). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. В рабочем диапазоне длинноволновых тепловизоров оконные стекла непрозрачны, а полиэтилен полупрозрачен.

Коэффициент излучения (и связанный с ним коэффициент отражения) — важнейшая характеристика поверхности объекта в инфракрасном контроле, также сильно отличается от характеристик в видимом диапазоне. У большинства металлов в ик-области отражательная способность значительно больше, чем для видимого света. В зависимости от состояния поверхности коэффициент отражения может достигать 98%. В этом разделе вы найдете отдельную статью о практических измерениях и важности коэффициента излучения в тепловизионных измерениях.

Измерение температуры объектов с низким коэффициентом излучения (большой степенью отражения) проблематично, так как в исходящем от них инфракрасном излучении доля собственного излучения мала (именно по нему рассчитывается температура поверхности), а доля отражения окружающих объектов высока.

Использованы материалы: БСЭ; Википедия; Планк М. «Теория теплового излучения»; Леконт Ж. «Инфракрасное излучение»; Дерибере М. «Практические применения инфракрасных лучей»; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. «Основы инфракрасной техники», Госсорг Ж. «Инфракрасная термография».