Какой поддиапазон инфракрасного излучения относится к коротковолновой части спектра

Инфракрасное излучение

Инфракра́сное излуче́ние (ИК-излучение, ИК-лучи), электромагнитное излучение с длинами волн λ \lambda λ от около 0,74 мкм до около 1–2 мм, т. е. излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого излучения и коротковолновым (субмиллиметровым) радиоизлучением. Инфракрасное излучение относится к оптическому излучению, однако в отличие от видимого излучения оно не воспринимается человеческим глазом. Взаимодействуя с поверхностью тел, оно нагревает их, поэтому часто его называют тепловым излучением . Условно область инфракрасного излучения разделяют на ближнюю ( λ \lambda λ =0,74–2,5 мкм), среднюю (2,5–50 мкм) и далёкую (50–2000 мкм). Инфракрасное излучение открыто У. Гершелем (1800) и независимо У. Х. Волластоном (1802).

Спектры инфракрасного излучения могут быть линейчатыми ( атомные спектры ), непрерывными (спектры конденсированных сред ) или полосатыми ( молекулярные спектры ). Оптические свойства (коэффициенты пропускания , отражения, преломления и т. п.) веществ в инфракрасном излучении, как правило, значительно отличаются от соответствующих свойств в видимом или ультрафиолетовом излучении. Многие вещества, прозрачные для видимого света, непрозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, и наоборот. Так, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ > 1 \lambda>1 λ > 1 мкм, поэтому вода часто используется в качестве теплозащитного фильтра. Пластинки из Ge \text Ge и Si \text Si , непрозрачные для видимого излучения, прозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, чёрная бумага прозрачна в далёкой ИК-области (такие вещества используют в качестве светофильтров при выделении инфракрасного излучения).

Отражательная способность большинства металлов в инфракрасном излучении значительно выше, чем в видимом излучении, и возрастает с увеличением длины волны ( металлооптика ). Так, отражение инфракрасного излучения поверхностями Al \text Al , Au \text Au , Ag \text Ag , Cu \text Cu с λ \lambda λ =10 мкм достигает 98 %. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают селективным (зависящим от длины волны) отражением инфракрасного излучения, положение максимумов которого зависит от их химического состава.

Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется вследствие рассеяния и поглощения атомами и молекулами воздуха. Азот и кислород не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Молекулы H 2 O \text_\text H 2 ​ O , CO 2 \text_ CO 2 ​ , O 3 \text_ O 3 ​ и другие, присутствующие в атмосфере, селективно (избирательно) поглощают инфракрасное излучение, причём особенно сильно поглощают его пары́ воды. Полосы поглощения H 2 O \text_\text H 2 ​ O наблюдаются во всей ИК-области спектра, а полосы CO 2 \text_ CO 2 ​ – в её средней части. В приземных слоях атмосферы имеется лишь небольшое число «окон прозрачности» для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате его рассеяния на этих частицах. При малых размерах частиц инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение, что используют в ИК-фотографии.

Источники инфракрасного излучения

Мощный естественный источник инфракрасного излучения – Солнце , около 50 % его излучения лежит в ИК-области. На инфракрасное излучение приходится от 70 до 80 % энергии излучения ламп накаливания ; его испускают электрическая дуга и различные газоразрядные лампы , все типы электрических обогревателей помещений. В научных исследованиях источниками ИК-излучения служат ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых типов лазеров также лежит в ИК-области спектра (например, длина волны излучения лазеров на неодимовом стекле составляет 1,06 мкм, гелий-неоновых лазеров – 1,15 и 3,39 мкм, CO 2 \text_ CO 2 ​ -лазеров – 10,6 мкм).

Приёмники инфракрасного излучения

Приёмники ИК-излучения основаны на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии, доступные для измерения. В тепловых приёмниках поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощение ИК-излучения приводит к появлению или изменению силы электрического тока или напряжения . Фотоэлектрические приёмники (в отличие от тепловых) селективны, т. е. чувствительны лишь к излучению определённой области спектра. Фоторегистрация инфракрасного излучения осуществляется с помощью специальных фотоэмульсий, однако они чувствительны к нему только для длин волн до 1,2 мкм.

Применение инфракрасного излучения

ИК-излучение широко применяют в научных исследованиях и для решения различных практических задач. Спектры испускания и поглощения молекул и твёрдых тел лежат в ИК-области, их изучают в инфракрасной спектроскопии , в структурных задачах, а также используют в качественном и количественном спектральном анализе . В далёкой ИК-области лежит излучение, возникающее при переходах между зеемановскими подуровнями атомов, а ИК-спектры атомов позволяют изучать структуру их электронных оболочек. Фотографии одного и того же объекта, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, вследствие различия коэффициентов отражения, пропускания и рассеяния могут значительно различаться; на ИК-фотографии можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии.

В промышленности ИК-излучение используют для сушки и нагрева материалов и изделий, в быту – для обогрева помещений. На основе фотокатодов , чувствительных к инфракрасному излучению, созданы электронно-оптические преобразователи , в которых невидимое глазом ИК-изображение объекта преобразуется в видимое. На основе таких преобразователей построены различные приборы ночного видения ( бинокли , прицелы и т. п.), позволяющие в полной темноте обнаруживать объекты, вести наблюдение и прицеливание, облучая их инфракрасным излучением от специальных источников. При помощи высокочувствительных приёмников ИК-излучения осуществляют теплопеленгацию объектов по их собственному инфракрасному излучению и создают системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК-локаторы и ИК-дальномеры позволяют обнаруживать в темноте предметы, температура которых выше температуры окружающей среды, и измерять расстояния до них. Мощное излучение ИК-лазеров используют в научных исследованиях, а также для осуществления наземной и космической связи, для лазерного зондирования атмосферы и т. д. Инфракрасное излучение используется для воспроизведения эталона метра.

Опубликовано 24 января 2023 г. в 18:43 (GMT+3). Последнее обновление 24 января 2023 г. в 18:43 (GMT+3). Связаться с редакцией

Инфракрасное излучение, виды, свойства и применение

ИК-излучение было открыто в начале 19 века английским физиком Вильямом Гершелем, который заметил, что солнечный свет, проходящий через призму, разделялся на несколько цветов. Один из этих цветов был невидимым для человеческого глаза, и Гершель назвал его инфракрасным.

После открытия Гершеля, французский физик Жозеф-Батист Фурье начал использовать инфракрасный свет для измерения температуры. Он изобрел инфракрасный термометр и использовал его для измерения температуры разных материалов.

В дальнейшем, немецкий физик Макс фон Лауэ изучал структуру кристаллов с помощью ИК-излучения. Он разработал метод рентгеновской кристаллографии, который используется до сих пор для изучения кристаллических структур.

Инфракрасное излучение нашло широкое применение в медицине, промышленности и науке. Оно используется для диагностики различных заболеваний, контроля качества продукции и изучения космических объектов с помощью телескопов.

Виды инфракрасного излучения

Существует несколько видов инфракрасного излучения, каждый из которых имеет свои особенности и применение. Вот некоторые из них:

• Тепловое излучение: исходит от объектов с высокой температурой, таких как звезды, горячие камни или металл. Оно используется в тепловизионных камерах для обнаружения утечек тепла в зданиях или машинах.
• Микроволновое излучение: имеет длину волны от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров, что делает его более коротким, чем инфракрасное излучение, но более длинным, чем видимый свет. Оно широко используется в радиосвязи, беспроводной связи и микроволновой печи.
• Лазерное излучение: это узкий луч света с очень высокой интенсивностью. Они используются в медицине для лечения различных заболеваний, а также в научных исследованиях и производстве.
• Радиационное излучение: возникает при распаде атомов и молекул. Оно используется для обнаружения радиоактивных материалов и для защиты от радиации.

Каждый из этих видов инфракрасного излучения имеет свои преимущества и применения, и их использование зависит от конкретной области применения.

Диапазоны инфракрасного излучения

• Ближний ИК-диапазон — с длиной волны от 700 нм до 2 мкм. Оно используется в оптическом распознавании образов, медицине, промышленности и других областях.
• Средний ИК-диапазон — от 2 мкм до 25 мкм. Он применяется в тепловизионной технике, спектроскопии, анализе материалов и других областях.
• Дальний ИК-диапазон — с длинами волн от 25 мкм до нескольких миллиметров. Оно используется для наблюдения за атмосферой, исследования космических объектов и термографии.

Источники ИК

Любой объект, излучающий тепло, является источником инфракрасного излучения. Вот некоторые из наиболее распространенных источников ИК излучения:

Электромагнитные источники

• Инфракрасные лампы: это самый распространенный источник инфракрасного излучения. Они могут быть использованы для обогрева помещений, сушки и нагрева предметов.
• Газовые излучатели: они работают на основе инфракрасного газового излучения. Газом в данном случае служит углекислый газ, азот или аргон.
• Трубчатые нагреватели: это металлические трубки, внутри которых находится электрический нагревательный элемент. Они создают тепловое излучение, которое излучается в виде инфракрасных волн.

Тепловые источники

• Нагревательные элементы: это различные устройства, использующие инфракрасное излучение для нагрева твердых тел.
• Плазменные источники: они представляют собой ионизированный газ, который испускает инфракрасное излучение при нагревании.

Космические источники

• Солнце: это самый очевидный источник инфракрасного тепла. Солнце — один из самых мощных источников излучения в этом диапазоне, его поверхность достигает температуры в 5500 градусов Цельсия.
• Звезды: являются мощными источниками инфракрасного излучения, так как их поверхность может достигать очень высоких температур.
• Межзвездная пыль: это один из немногих естественных источников инфракрасного излучения в космосе. Она поглощает часть света от звезд и переизлучает его в инфракрасном диапазоне.

Свойства инфракрасного излучения

Инфракрасное (ИК) излучение обладает следующими свойствами:

• Высокая проникающая способность. ИК лучи могут проникать через многие материалы, такие как стекло, дерево и металл. Это свойство позволяет исследовать внутреннюю структуру объектов.
• Способность отражения и поглощения. ИК излучение может отражаться от поверхностей и поглощаться материалами, такими как металлы и стекло. Это свойство используется для определения состава материалов и измерения температуры.
• Низкая частота. ИК излучение имеет низкую частоту, что означает, что его длина волны очень велика. Это свойство позволяет проходить через большие расстояния без значительных потерь энергии.
• Невидимость. ИК излучение невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено с помощью специальных приборов, таких как инфракрасные камеры и детекторы.
• Взаимодействие с молекулами. ИК излучение взаимодействует с молекулами в объекте, вызывая различные физические и химические эффекты. Например, излучение может вызывать нагрев объекта, изменять его оптические свойства или влиять на химические реакции.
• Возможность управления. ИК излучение можно направлять и фокусировать с помощью оптических элементов, таких как линзы и зеркала. Это свойство позволяет создавать мощные источники света и проводить исследования на микроскопическом уровне.

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение в различных областях науки, техники и производства. Некоторые из наиболее распространенных областей применения ИК излучения включают:

• Медицинская диагностика: используется для измерения температуры тела, выявления опухолей и других заболеваний, а также контроля лечения пациентов.
• Тепловидение: применяется для обнаружения утечек тепла в зданиях, машинах и других объектах.

• Контроль качества: ИК камеры позволяют обнаруживать дефекты и несоответствия в производстве, что повышает качество продукции и уменьшает количество брака.
• Космическая техника: ИК датчики используются для обнаружения космических объектов, управления движением спутников и других космических аппаратов.
• Производство: ИК камеры применяются для контроля качества сырья и готовой продукции, а также для обнаружения дефектов в процессе производства.
• Бытовая техника: ИК излучатели используются в бытовых приборах, таких как термостаты, кондиционеры и холодильники, для контроля температуры и энергосбережения.
• Оптика: ИК линзы применяются в оптике для создания невидимых изображений в ИК диапазоне.
• Военная техника: ИК системы используются в военной технике для обнаружения и идентификации целей в условиях низкой освещенности или задымленности.

• Безопасность: ИК детекторы используются для обнаружения движения и проникновения в охраняемые зоны, а также для мониторинга температуры в системах безопасности.
• Наука: ИК спектроскопия используется для анализа химических соединений и материалов в невидимом диапазоне.

Инфракрасные приборы

Инфракрасные (ИК) приборы – это устройства, использующие инфракрасное излучение (ИКИ) для измерения, обнаружения или управления различными объектами и процессами.

Основные типы ИК приборов включают:

• ИК камеры – устройства для съемки изображения в инфракрасном спектре. Они используются, например, для обнаружения скрытых предметов или определения температуры тела человека в медицине.

• ИК детекторы – приборы, которые улавливают ИКИ и реагируют на его наличие. Они находят применение в системах безопасности, например, охранных, для обнаружения движения, проникновения или пожара.
• Термометры ИК – устройства для измерения температуры в инфракрасном диапазоне, используемые, например, на производстве для контроля процессов или в медицинской диагностике для измерения температуры у пациентов.
• Тепловизоры – приборы для визуализации распределения температуры в объекте или среде в ИК диапазоне. Применяются, например, в научных исследованиях для изучения тепловых свойств материалов, в медицине для выявления заболеваний или повреждений, а также на производстве для оптимизации процессов или контроля качества продукции.

Другие типы ИК приборов могут включать лазеры, сенсоры, датчики, микроскопы и другое оборудование, способное работать в ИК диапазоне и использовать его свойства для выполнения своих задач.

Диапазоны излучения и вещество

Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света, их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты (а равным образом от длины волны и энергии кванта). По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.

Видимое излучение

Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 10 14 раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 10 20 энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.

Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.

Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.

Ультрафиолетовое излучение

С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и вакуумный. Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород (O₂).

Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.

Рентгеновское излучение

Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.

Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.

От рентгена к гамма

Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.

Гамма-излучение

Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.

Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий. Это отмечено на плакате красными стрелками.

Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 10 20 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 10 21 –10 24 эВ.

Инфракрасное излучение

Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу.

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне — именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.

В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы. Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы — в Мексике 50-метровый, а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.

Микроволны и радиоволны

К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.

При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.

Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.

Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.

Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.

Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.

Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).

Спектр электромагнитного излучения

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10 –9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.

Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. Постоянная Планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

Радиоволны

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.

Инфракрасные лучи

Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Видимый свет

Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

Ультрафиолетовые лучи

К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. Озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

Рентгеновские лучи

Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)

Гамма-лучи

Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.