Инфракрасное излучение или инфракрасные лучи, это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным света (с длиной волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм).
Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г.
Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном спектре Солнца за границей красного света (т.е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается. Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами, расположенными сбоку.
Инфракрасную область спектра согласно международной классификации
разделяют:
- на ближнюю ИК-А (от 0.7 до 1.4 мкм);
- среднюю ИК-В (1.4 - 3 мкм);
- далёкую ИК-С (свыше 3 мкм).
Все нагретые твёрдые тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Это означает, что в излучении присутствуют волны со всеми без исключения частотами, и говорить об излучении на какой-то определенной волны, бессмысленное занятие. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн.
При низких температурах (ниже 400°С) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется:
Темно-красным.................470-650°С
Вишнево-красным.............700°С
Светло-красным...............800°С
Густо-оранжевым.............900°С
Оранжево-желтым............1000°С
Светло-желтым................1100°С
Соломенно-желтым...........1150°С
Белым разной яркости......1200-1400°С
При этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения. При температурах свыше 1000°С нагретое тело начинает испускать ультрафиолетовое излучение.
Законы теплового излучения
Особое место в теории теплового излучения занимает Абсолютно Черное Тело (АЧТ). Так Г.Кирхгоф назвал тело, у которого на всех частотах и при любых температурах поглощательная способность равна единице. Реальное тело всегда отражает часть энергии падающего на него излучения. Даже сажа приближается по свойствам к абсолютно черному телу лишь в оптическом диапазоне.
Абсолютно черное тело является эталонным телом в теории теплового излучения. И, хотя в природе нет абсолютно черного тела, достаточно просто реализовать модель, для которой поглощательная способность на всех частотах будет пренебрежимо мало отличаться от единицы. Ниже приведены законы справедливые для АЧТ.
Основной закон теплового излучения Планка устанавливает зависимость испускательной способности тела R от длины волны λ и температуры тела T.
Зависимость R от длины волны при постоянной температуре показана на рисунке. Мощность излучения имеет максимум при некотором значении λ max .
Хотя спектр изменяется с изменением температуры, он имеет общие закономерности, не зависящие от T, если выразить волны в безразмерной единице λ /λ max . Тогда доля излучаемой энергии в различных участках не зависит от температуры (доля в % от полной энергии приведена на рисунке). Полезно запомнить, что примерно 90% энергии приходится на спектральный интервал λ /λ max = 0,5 … 3,0 , т.е. от l max /2 до 3 l max .
Закон смещения Вина . Длина волны l max , соответствующая максимальной спектральной плотности излучательности АЧТ, обратно пропорциональная температуре: l max = 2.9 /T, где C - постоянная.
Закон Стефана-Больцмана. Излучательность АЧТ, т.е. полная мощность излучения с единичной площади, пропорциональна четвертой степени температуры: R= σT 4 , где σ - постоянная Стефана-Больцмана.
В теории теплового излучения часто пользуются идеализированной моделью реальных тел – понятием "серое тело". Тело называется "серым", если его коэффициент поглощения одинаков для всех частот и зависит только от температуры материала и состояния его поверхности. В действительности реальное физическое тело по своим характеристикам приближается к серому телу только в узком диапазоне частот излучения.
Закон теплового излучения Кирхгофа. Отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения не зависит от материала тела (т. е одинаково для всех тел) и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. Данная величина является функцией только температуры и частоты излучения.
Следствия закона Кирхгофа.
Так как коэффициент поглощения для любого тела меньше единицы, то испускательная способность любого тела для данной частоты излучения меньше таковой для черного тела. Иначе говоря, черное тело при любой температуре и частоте излучения является наиболее интенсивным источником излучения.
Если тело не поглощает излучения в какой-либо области спектра, то оно и не излучает в этой области спектра.
Для данной температуры сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения.
И нтенсивность облучения от нагретой поверхности или через отверстие в печи можно определить по формуле (при L ≥F 0.5)
E =0,91F((T/1000) 4 -A)/L 2
где Е - интенсивность облучения, Вт/м2; F - площадь излучающей поверхности, м2; l - расстояние от центра излучающей поверхности до облучаемого объекта, м; A = 85 - для кожи человека и хлопчатобумажной ткани; А = 100- постоянный коэффициент для сукна.
§ 1. Тепловое излучение
В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.
Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.
Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:
энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.
Вт/м 2 .
испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.
. 
.
Здесь
– это энергия излучения с длинами волн
от λ до
.
Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:
.
.
Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.
Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:
.
Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.
Поглощательная
способность абсолютно черного тела
а а.ч.т. (λ,Т)
равна единице. Это означает, что
универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности
абсолютно черного тела
.
Таким образом, для решения задачи
теплового излучения необходимо было
установить вид функции Кирхгофа или
испускательной способности абсолютно
чёрного тела.
Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана
,
.
В
1896-м году немецкие физики во главе с
Вильгельмом Вином создали суперсовременную
по тем временам экспериментальную
установку для исследования распределения
интенсивности излучения по длинам волн
(частотам) в спектре теплового излучения
абсолютно черного тела. Эксперименты,
выполненные на этой установке: во-первых,
подтвердили результат, полученный
австрийскими физиками Й.Стефаном и
Л.Больцманом; во-вторых, были полученны
графики распределения интенсивности
теплового излучения по длинам волн. Они
были удивительно похожи на полученные
ранее Дж. Максвеллом кривые распределения
молекул газа, находящегося в закрытом
объеме, по величинам скоростей.
Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.
Английские
классические физики лорд Рэлей
(1842-1919) и сэр Джеймс
Джинс
(1877-1946) применили к тепловому излучению
методы
статистической физики
(воспользовались
классическим законом о равнораспределении
энергии по степеням свободы). Рэлей и
Джинс применили метод статистической
физики к волнам подобно тому, как Максвелл
применил его к равновесному ансамблю
хаотически движущихся в замкнутой
полости частиц. Они предположили, что
на каждое электромагнитное колебание
приходится в среднем энергия равная kT
(
на электрическую энергию и
на магнитную энергию),. Исходя из этих
соображений, они получили следующую
формулу для испускательной способности
а.ч.т.:
.
Э
та
формула хорошо описывала ход
экспериментальной зависимости при
больших длинах волн (на низких частотах).
Но для малых длин волн (высокий частот
или в ультрафиолетовой области спектра)
классическая теория Рэлея и Джинса
предсказывала бесконечный рост
интенсивности излучения. Этот эффект
получил название ультрафиолетовой
катастрофы.
Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.
С
ледующую
попытку получения формулы зависимости
испускательной способности а.ч.т. от
длин волн предпринял Вин. С помощью
методов классической
термодинамики и электродинамики
Вину
удалось вывести соотношение, графическое
изображение которого удовлетворительно
совпадало с коротковолновой
(высокочастотной) частью полученных в
эксперименте данных, но абсолютно
расходилось с результатами опытов для
больших длин волн (низких частот).
.
Из этой формулы
было получено соотношение, связывающее
ту длину волны
,
которой соответствует максимум
интенсивности излучения, и абсолютную
температуру тела Т (закон смещения
Вина):
,
.
Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.
Но формулы, описывающей всю кривую, не было.
Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.
Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.
Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:
1. Энергетическая светимость R (T ) - количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела, во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ R(T) имеет размерность [Вт/м 2 ].
2. Спектральная плотность энергетической светимости r(l,Т) =dW/dl - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны l). Т.е. эта величина численно равна отношению энергии dW , испускаемой с единицы площади в единицу времени в узком интервале длин волн от l до l+dl , к ширине этого интервала. Она зависит от температуры тела, длины волны, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ r(l, T) имеет размерность [Вт/м 3 ].
Энергетическая светимостьR(T) связана со спектральной плотностью энергетической светимости r(l, T) следующим образом:
(1) [Вт/м 2 ]
3. Все тела не только излучают, но и поглощают падающие на их поверхность электромагнитные волны. Для определения поглощательной способности тел по отношению к электромагнитным волнам определенной длины волны вводится понятие коэффициента монохроматического поглощения - отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:
(2)
Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина a(l,T) может принимать значения от 0 до 1.
Излучение в адиабатически замкнутой системе (не обменивающейся теплотой с внешней средой) называется равновесным . Если создать маленькое отверстие в стенке полости состояние равновесия измениться слабо и выходящее из полости излучение будет соответствовать равновесному излучению.
Если в такое отверстие направить луч, то после многократных отражений и поглощения на стенках полости он не сможет выйти обратно наружу. Это значит, что для такого отверстия коэффициент поглощения a(l, T) = 1.
Рассмотренная замкнутая полость с небольшим отверстием служит одной из моделей абсолютно черного тела.
Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации (ничего не отражая и не пропуская).
Для абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости является некоторой универсальной функцией длины волны и температуры f(l,T) и не зависит от его природы.
Все тела в природе частично отражают падающее на их поверхность излучение и поэтому не относятся к абсолютно черным телам. Если коэффициент монохроматического поглощения тела одинаков для всех длин волн и меньше единицы (a(l, T ) = a Т = const<1), то такое тело называется серым . Коэффициент монохроматического поглощения серого тела зависит только от температуры тела, его природы и состояния его поверхности.
Кирхгофом было показано, что для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения является той же универсальной функцией длины волны и температуры f(l,T) , что и спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:
(3)
Уравнение (3) представляет собой закон Кирхгофа.
Закон Кирхгофа можно сформулировать таким образом: для всех тел системы, находящихся в термодинамическом равновесии, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения не зависит от природы тела, является одинаковой для всех тел функцией, зависящей от длины волны l и температуры Т.
Из вышесказанного и формулы (3) ясно, что при данной температуре сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения, а наиболее сильно излучают абсолютно черные тела. Так как для абсолютно черного тела a(l, T )=1, то из формулы (3) следует, что универсальная функция f (l, T ) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела
Тепловое излучение - этоэлектромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии.
Оно обуславливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения колеблющихся ионов.
Интенсивность излучения и его спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому тепловое излучение не всегда воспринимается глазом.
Тело. Нагретое до высокой температуры значительную часть энергии испускает в видимом диапазоне, а при комнатной температуры- энергия испускается в инфракрасной части спектра.
По международным стандартам различают 3 области инфракрасного излучения:
1. Инфракрасная область А
λ от 780 до 1400 нм
2. Инфракрасная область В
λ от 1400 до 3000 нм
3. Инфракрасная область С
λ от 3000 до 1000000 нм.
Особенности теплового излучения.
1. Тепловое излучение- это универсальное явление присущее всем телам и происходящее при температуре отличной от абсолютного нуля (- 273 К).
2. Интенсивность теплового излучения и спектральный состав зависят от природы и температуры тел.
3. Тепловое излучение является равновесным, т.е. в изолированной системе при постоянной температуре тела излучают за единицу времени с единицы площади столько энергии, сколько получают извне.
4. Наряду с тепловым излучением все тела обладают способностью поглащать тепловую энергию извне.
2 . Основные характеристики поглощения .
1. Лучистая энергия W (Дж)
2. Лучистый поток Р = W/t (Вт)
(Поток излучения)
3. Излучательная способность (энергитическая светимость)- это энергия электромагнитного излучения, излучаемая по всем возможным направлениям за единицу времени с единицы площади при данной температуре
RT= W/St (Вт/м2)
4. Поглощательная способность (коэффициент поглощения) равен отношению лучистого потока, поглощенного данного тела к лучистому потоку, упавшему на тело при данной температуре.
αт = Рпогл / Рпад.
3. Тепловые излучатели и их характеристика.
Понятие абсолютно чёрного тела.
Тепловые излучатели- это технические устройства для получения теплового лучистого потока. Каждый тепловой источник характеризуется излучательной способностью, поглащательной способностью, температурой излучательного тела, спектральным составом излучения.
В качестве стандарта введено понятие абсолютно чёрного тела (а.ч.т.)
При прохождении света через вещество, лучистый поток частично отражается, частично поглащается, рассеивается и частично проходит через вещество.
Если тело полностью поглощает падающий на него световой поток, то его называют абсолютно чёрное тело.
Для всех длин волн и при любых температурах коэффициент поглощения α=1. Абсолютно чёрного тела в природе нет, но можно указывать на тело близкое к нему по своим свойствам.
Модельно а.ч.т. является полость с очень малым отверстием стенки которого зачернены. Луч, попавший в отверстие после многократных отражений от стенок, будет поглощён практически полностью.
Если нагреть такую модель до высокой температуры, то отверстие будет светиться, такое излучение называется чёрным излучением. К а.ч.т. близки поглощательные свойства чёрного бархата.
α для сажи = 0,952
α для чёрного бархата = 0,96
Примером служит зрачок глаза, глубокий колодец и т.д.
Если α=0, то это обсолютно зеркальная поверхность. Чаще α находится в пределах от 0 до 1, такие тела называются серыми.
У серых тел коэффициент поглощения зависит от длины волны, падающего излучения и в значительной степени от температуры.
4. Законы теплового излучения и их характеристика
1. Закон Киркгофа :
отношение излучательной способности тела к поглощательной способности тела при одинаковой температуре и при одинаковой длине волны есть величина постоянная.
2. Закон Стефана-Больцмана :
излучательная способность а.ч.т. пропорциональначетвёртой степени его абсолютной температуры.
δ- постоянная Стефана-Больцмана.
δ=5,669*10-8 (Вт/ м2*К4)
W=Pt=RTSt= δStT4
Т-температура
При увеличении температуры (Т) мощность излучения растёт очень быстро.
При увеличении времени (t) до 800 мощность излучения увеличится в 81 раз.
Излучение электромагнитных волн веществом происходит благодаря внутриатомным и внутримолекулярным процессам. Источники энергии и, следовательно, вид свечения могут быть разными: экран телевизора, лампа дневного света, лампа накаливания, гниющее дерево, светлячок и т.д. Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или не видимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение. Оно возникает при любых температурах выше 0 К, поэтому испускается всеми телами. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.
27.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
ЧЕРНОЕ ТЕЛО
Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).Поток излучения, испускаемый 1 м 2 поверхности, называют энергетической светимостью R e . Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).
Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длины волны. Выделим небольшой интервал длин волн от λ до λ + άλ. Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, пропорциональна ширине интервала:
Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной области спектра.
27.2. ЗАКОН КИРХГОФА
Между спектральной плотностью энергетической светимости и монохроматическим коэффициентом поглощения тел существует определенная связь, которую можно пояснить на следующем примере.
В замкнутой адиабатной оболочке находятся два разных тела в условиях термодинамического равновесия, при этом их температуры одинаковы. Так как состояние тел не изменяется, то каждое из них излучает и поглощает одинаковую энергию. Спектр излучения каждого тела должен совпадать со спектром электромагнитных волн, поглощаемых им, иначе нарушилось бы термодинамическое равновесие. Это означает, что если одно из тел излучает какие-либо волны, например красные, больше, чем другое, то оно должно больше их и поглощать.
27.3. ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРНОГО ТЕЛА
Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров излучения для разных температур приведены на рис. 27.2. Из этих экспериментальных кривых можно сделать ряд выводов.
Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.
На основании (27.2) энергетическую светимость черного тела R е можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью асбцисс, или
Из рис. 27.2 видно, что энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания черного тела.
Долгое время не могли получить теоретически зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры, которая отвечала бы эксперименту. В 1900 г. это было сделано М. Планком.
В классической физике испускание и поглощение излучения телом рассматривались как непрерывный процесс.
Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволяют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями - квантами. Представляя излучающее тело как совокупность осцилляторов, энергия которых может изменяться лишь на величину, краткую hv, Планк получил формулу:
(h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; k - постоянная Больцмана), которая прекрасно описывает экспериментальные кривые, изображенные на рис. 27.2.
На основании (27.6) и (27.8) спектр излучения серого тела может быть выражен зависимостью:
Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-красным светом, а при очень высокой температуре - белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.
Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, измеряя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).
27.4. ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЛЕЧЕБНЫХ ЦЕЛЕЙ
Наиболее мощным источником теплового излучения, обусловливающим жизнь на Земле, является Солнце.
Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м 2 площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной.
В зависимости от высоты Солнца над горизонтом путь, проходимый солнечными лучами в атмосфере, изменяется в довольно больших пределах (рис. 27.3; граница атмосферы изображена условно) с максимальным различием в 30 раз. Даже при самых благоприятных условиях на 1 м 2 поверхности Земли падает поток солнечной радиации 1120 Вт. В июле в Москве при наивысшем стоянии Солнца это значение достигает только 930 Вт/м 2 . В остальное время дня потери в атмосфере еще больше.
Ослабление радиации атмосферой сопровождается изменением ее спектрального состава. На рис. 27.4 показан спектр солнечного излучения на границе земной атмосферы (кривая 1) и на поверхности Земли (кривая 2) при наивысшем стоянии Солнца. Кривая 1 близка к спектру черного тела, ее максимум соответствует длине волны 470 нм, что, по закону Вина, позволяет определить температуру поверхности Солнца - около 6100 К. Кривая 2 имеет несколько линий поглощения, ее максимум расположен около 555 нм. Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром.
Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации.
В термоэлектрическом актинометре Савинова- Янишевскою (рис. 27.5) приемной частью радиации является тонкий, зачерненный с наружной стороны серебряный диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу (на рисунке не показано) внутри корпуса актинометра и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее (см. 15.6), сила которого пропорциональна потоку радиации.
Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма.
Для лечебных целей используют искусственные источники теплового излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные излучатели (инфраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры порядка 400-500 °С.
27.5. ТЕПЛООТДАЧА ОРГАНИЗМА. ПОНЯТИЕ О ТЕРМОГРАФИИ
Тело человека имеет определенную температуру благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой. Рассмотрим некоторые особенности такого теплообмена, предполагая, что температура окружающей среды ниже температуры тела человека.
Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения).
Трудно или даже невозможно точно указать распределение отдаваемого количества теплоты между перечисленными процессами, так как оно зависит от многих факторов: состояния организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т.д.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и т.п.), одежды (материал, форма, цвет, толщина).
Однако можно сделать приближенную и усредненную оценки для лиц, не имеющих особой физической нагрузки и проживающих в условиях умеренного климата.
Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен.
Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15-20% теплоотдачи человека осуществляется конвекцией.
Испарение происходит с поверхности кожи и легких, при этом имеет место около 30% теплопотерь.
Наибольшая доля теплопотерь (около 50%) приходится на излучение во внешнюю среду открытых частей тела и одежды. Основная часть это-
го излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны от 4 до 50 мкм.
Для вычисления этих потерь сделаем два основных допущения.
1. Излучаемые тела (кожа человека, ткань одежды) примем за серые. Это позволит использовать формулу (27.12).
Назовем произведение коэффициента поглощения на постоянную Стефана-Больцмана приведенным коэффициентом излучения: δ = ασ. Тогда (27.12) перепишется так:
Ниже даны коэффициент поглощения и приведенный коэффициент излучения для некоторых тел (табл. 27.1).
Таблица 27.1
2. Применим закон Стефана-Больцмана к неравновесному излучению, к которому, в частности, относится излучение тела человека.
Если раздетый человек, поверхность тела которого имеет температуру т 1 , находится в комнате с температурой т 0 , то его потери излучением могут быть вычислены следующим образом. В соответствии с формулой (27.15) человек излучает со всей открытой поверхности тела площади s мощность p 1 = Sδ t] 4 . Одновременно человек поглощает часть излучения, попадающего от предметов комнаты, стен, потолка и т.п. Если бы поверхность тела человека имела температуру, равную температуре воздуха в комнате, то излучаемая и поглощаемая мощности были бы одинаковы и равны р 0 = Sδ t 0 4 .
Такая же мощность будет поглощаться телом человека и при других температурах поверхности тела.
На основании двух последних равенств получаем мощность, теряемую человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения:
Для одетого человека под Т 1 следует понимать температуру поверхности одежды. Приведем количественный пример, поясняющий роль одежды.
При температуре окружающей среды 18° С (291 К) раздетый человек, температура поверхности кожи которого 33°С (306 К), теряет ежесекундно посредством излучения с площади 1,5 м 2 энергию:
Р = 1,5 ? 5,1 ? 10-8 (3064 - 2914) Дж/с и 122 Дж/с.
При той же температуре окружающей среды в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24 °С (297 К), ежесекундно теряется посредством излучения энергия:
Р од = 1,5 ? 4,2 ? 10-8 (2974 - 2914) Дж/с и 37 Дж/с.
Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела человека в соответствии с законом Вина попадает на длину волны приблизительно 9,5 мкм при температуре поверхности кожи 32°С.
Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами. Поясним это количественно.
Продифференцируем уравнение (27.15): dR e = 4σ 7 3 ? dΤ. Разделив это выражение на (27.15), получим dR e /R e = 4dT/T. Это означает, что относительное изменение энергетической светимости больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в четыре раза. Так, если температура поверхности тела человека изменится на 3 °С, т.е. приблизительно на 1%, то энергетическая светимость изменится на 4%.
У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.
Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры являются диагностическим методом.
Такой метод, называемый термографией, находит все более широкое применение в клинической практике.
Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.
Определение различия температуры поверхности тела при термографии в основном осуществляется двумя методами. В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры.
Другой метод - технический, он основан на использовании тепловизоров (см. 27.8).
27.6. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ = 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ = (1-2) мм], называют инфракрасным (ИК).
Инфракрасную область спектра условно разделяют на близкую (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далекую (50-2000 мкм).
Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Если в законе Вина вместо λ Μαχ подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 3800-1,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обычных условиях практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимальное излучение в ИК-области спектра. Отклонение реальных тел от серых не изменяет существа вывода.
При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому далеко не все тела могут быть использованы в качестве источников ИК-излучения. В связи с этим наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые уже не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-об-ласти спектра.
Методы обнаружения и измерения ИК-излучения делят в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток (см. 15.6). К фотоэлектрическим приемникам относят фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи, фотосопротивления (см. 27.8).
Обнаружить и зарегистрировать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.
Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы (см. 27.4).
Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.
27.7. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ = 400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ = 10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).
В области ниже 200 нм УФ-излучение сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому особого интереса для медицины не представляет.
Остальную часть УФ-спектра условно делят на три области: А (400315 нм), В (315-280 нм) и С (280-200 нм).
Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствии с законом Вина даже для наиболее длинной волны (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение серых тел не может служить эффективным источником мощного УФ-излучения. Наиболее мощным источником теплового УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет ультрафиолетовое.
В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейчатый спектр.
Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фотоэлектрическими приемниками: фотоэлементами, фотоумножителями (см. 27.8). Индикаторами УФ-света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.
УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых микроскопов (см. 26.8), люминесцентных микроскопов, для люминесцентного анализа (см. 29.7).
Главное применение УФ-излучения в медицине связано с его специфическим биологическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами (см. 29.9).
27.8. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэффект), либо в изменении электропроводимости вещества или возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).
В фотоэффекте проявляются корпускулярные свойства света. Данный вопрос излагается в настоящей главе, так как ряд методов индикации теплового излучения основан на этом явлении.
Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.
Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна:
hv = А + m υ2 /2, (27.16)
где hv = ε - энергия фотона; m υ 2 /2 - кинетическая энергия электрона, вылетевшего из металла; А - работа выхода электрона.
Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей, фотоэффект прекратится. Согласно (27.16), предельному случаю соответствует нулевая кинетическая энергия электрона, что приводит к соотношению:
hv rp = А, или λ гр = hc/А. (27.17)
С помощью этих выражений определяют работу выхода А.
Приведем значения красной границы фотоэффекта и работы выхода для некоторых металлов (табл. 27.2).
Таблица 27.2
Как видно, термин «красная граница» не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.
Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также в том случае, если энергия электрона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.
Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем p- и-перехода: электроны перемещаются в полупроводник типа и, а дырки - в полупроводник типа р. При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом.
Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.
Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.
Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте (рис. 27.6, а), состоит из источника электронов - фотокатода К, на который попадает свет, и анода А. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внут-
ренней поверхности баллона (рис, 27.6, б). На рис. 27.6, в дана схема включения фотокатода в цепь.
Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки вольт-амперных характеристик, полученных при разных значениях светового потока (рис. 27.7; Ф 2 > Ф 1).
Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном газе, и вторичную электронную эмиссию - испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).
Схема ФЭУ приведена на рис. 27.8. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э 1 . В результате вторичной электронной эмиссии с этого дино-да вылетает больше электронов, чем падает на него, т.е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.
ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.
На внешнем фотоэффекте осно-ванаработа электронно-оптического
преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений.
Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 27.9. Световое изображение объекта 1, спроецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран L. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.
В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения (см. 31.4), это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека. Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо яркостью, если изображение черно-белое. Такая техническая система,
называемая тепловизором, она используется в термографии (см. 27.5). На рис. 27.10 дан внешний вид тепловизора ТВ-03.
Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока.
Один из таких фотоэлементов - медно-закисный - представлен на схеме рис. 27.11. Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Си 2 О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аи), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока. Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен.
На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.
Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).
Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т.е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.
На явлении фотопроводимости основаны приборы, называемые фото-сопротивлениями. Простейшее фотосопротивление (рис. 27.12)
представляет собой тонкий слой полупроводника 1 с металлическими электродами 2; 3 - изолятор.
Фотосопротивления, как и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.
27.9. СВЕТОВОЙ ЭТАЛОН. НЕКОТОРЫЕ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Тепловое излучение тел широко используют как источник видимого света, поэтому остановимся еще на некоторых величинах, характеризующих его.
Для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью единиц световых величин применяют световой эталон со строго заданными геометрическими размерами.
Устройство его схематически показано на рис. 27.13: 1 - трубка из плавленного оксида тория вставлена в тигель 2, состоящий из плавленного оксида тория и заполненный химически чистой платиной 3; 4 - кварцевый сосуд с порошком оксида тория 5; 6 - смотровое окно; 7 - фотометрическая установка, позволяющая уравнивать освещенности, создаваемые на пластине 9, эталонным излучателем и эталоном-копией; 8 - специальная электрическая лампа накаливания (эталон-копия).
Сила света i - характеристика источника света - выражается в кан-делах (кд). Кандела - сила света, испускаемого с поверхности площадью 1/600 000 м 2 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па.
Световым потоком Ф называют среднюю мощность энергии излучения, оцениваемую по световому ощущению, которое она производит.
Единицей светового потока является люмен (лм). Люмен - световой поток, излучаемый точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.
Светимостью называют величину, равную отношению светового потока, испускаемого светящейся поверхностью, к площади этой поверхности:
Единицей светимости является люкс (лк) - освещенность поверхности площадью 1 м 2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1 лм.
Для оценки излучения или отражения света в заданном направлении вводят световую величину, называемую яркостью. Яркость определяют как отношение силы света dI элементарной поверхности dS в заданном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:
где α - угол между перпендикуляром к светящейся поверхности и заданным направлением (рис. 27.14).
Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м 2). Световой эталон при сформулированных выше условиях соответствует яркости 6 ? 10 5 кд/м 2 .
Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называют ламбертовскими; строго говоря, таким источником является только черное тело.
Освещенностью называют величину,равную отношению потока, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности:
В гигиене освещенность используется для оценки освещения. Измеряется освещенность люксметрами, принцип действия которых основан на фотоэффекте (см. 27.8).
Оценку и нормирование естественного освещения производят не в абсолютных единицах, а в относительных показателях коэффициента естественной освещенности - отношение естественной освещенности в рассматриваемой точке внутри помещения к одновременному значению наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небом без прямого солнечного света.
Оценка искусственного освещения производится путем измерения освещенности и яркости, а нормирование уровней искусственного освещения - с учетом характера зрительной работы. Пределы допускаемой освещенности для разных работ колеблются от сотни до нескольких тысяч люкс.