Как найти энергию кванта инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение невидимо для наших глаз, но это не значит, что другие наши органы чувств не могут его воспринимать. Тепло, которое мы ощущаем, сидя у костра, вызвано именно инфракрасным излучением, испускаемым горящими поленьями. Инфракрасное излучение окружает нас постоянно, поскольку все объекты с температурой выше нуля, а значит, и наши тела, являются источниками инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение (сокращенно ИК ), — это электромагнитное излучение, которое человеческий глаз не может обнаружить, с длиной волны больше, чем у красного света. Диапазон инфракрасного излучения охватывает длины волн от 780 нм до примерно 1 мм (другими словами: от 0,78 мкм до примерно 1000 мкм) и частоту от 300 ГГц и до 385 ТГц. С более длинноволновой стороны он граничит с микроволновым диапазоном излучения.

Как и все электромагнитные волны, инфракрасное излучение распространяется в вакууме со скоростью света c = 3*10⁸ м/c. Электромагнитная волна характеризуется:

• частота f, т.е. число полных изменений магнитного и электрического полей в секунду, выраженное в герцах (Гц);
• длина волны λ, т.е. расстояние между соседними точками, где электрическое и магнитное поля имеют одинаковую фазу.

Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: f = c / λ .

Энергия кванта излучения, фотона, прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны: E = h * f = h * c / λ , где h — постоянная Планка, h = 4,14·10^–15 эВ·с = 6,63·10^–34 Дж·с .

Энергия инфракрасных фотонов меньше, чем у видимого света.

Свойства

Инфракрасное излучение испускается всеми телами. Его также называют тепловым излучением. Тепловое излучение охватывает широкий диапазон длин волн, от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения находится в определенном диапазоне длин волн, зависящем от температуры.

Испускание теплового излучения вызвано беспорядочным движением электрически заряженных частиц в веществе. Максимальное излучение от человеческого тела, а также от предметов при комнатной температуре происходит при длине волны около 10 мкм. Энергия теплового излучения сильно зависит от температуры тела — она прямо пропорциональна T⁴, где T — температура по абсолютной шкале. Из этого следует, что тело с более высокой температурой излучает гораздо больше энергии, чем тело с более низкой температурой.

Инфракрасное излучение условно делится на ближнее и дальнее инфракрасное излучение:

• Ближнее инфракрасное излучение — это волны в диапазоне (0,78 — 10) мкм. Они излучаются телами с температурой выше комнатной, например, лампой накаливания, костром и т.д.
• Дальнее инфракрасное излучение — это волны в диапазоне (10 — 1000) мкм. Источниками этого излучения являются тела, находящиеся при комнатной температуре и ниже.

Инфракрасное излучение ассоциируется у нас с отоплением. Действительно, известны инфракрасные лампы (инфракрасные нагреватели), используемые для нагрева человеческого тела в терапевтических целях (рис. 2.). Но инфракрасное излучение может также охлаждать тело. Как это возможно?

Выделение инфракрасного излучения происходит за счет внутренней энергии организма. Когда тело поглощает инфракрасное излучение, энергия поглощенных электромагнитных волн преобразуется в увеличение внутренней энергии. В условиях равновесия потоки тепловой энергии равны — одинаковое количество энергии излучается и поглощается телом. Температура тела при этом остается постоянной.

Инфракрасное отопление.

Когда поглощенное излучение несет больше энергии, чем испущенное, внутренняя энергия тела увеличивается, и его температура повышается. Это объясняет, почему мы можем греться у огня или согревать руки, держа их у стакана с горячим чаем. В космосе и в вакууме инфракрасное излучение является единственным способом передачи тепловой энергии.

Инфракрасное охлаждение.

Когда тело имеет более высокую температуру, чем его окружение, испускаемое излучение имеет больше энергии, чем поглощаемое. Тело теряет внутреннюю энергию, и его температура снижается. Падение температуры происходит быстрее, чем в результате теплопроводности, поскольку воздух является плохим проводником тепла. Каждый, кто стоял рядом с большой глыбой льда, ощущал холод от ее бока. Но не лед излучает холод, а человеческое тело, которое направляет на лед больше энергии, чем получает от него.

Роль инфракрасного излучения в регулировании температуры на поверхности Земли.

Инфракрасное излучение играет важную роль в энергетическом балансе атмосферы Земли. Солнечное излучение, в основном в видимом световом диапазоне, достигает поверхности Земли. Нагретая поверхность Земли испускает инфракрасное излучение в качестве вторичного излучения. Это излучение, проходя через атмосферу, в значительной степени поглощается содержащимися в ней водяным паром, углекислым газом, метаном и другими парниковыми газами, повышая температуру воздуха.

Можно подсчитать, что если бы Земля не имела атмосферы, ее средняя температура, обусловленная балансом поглощенного и испущенного излучения, была бы чуть меньше -18°C. Однако мы знаем, что средняя температура нашего земного шара более чем на 33°C выше и составляет около 15°C. Таким образом, атмосфера является теплоизоляцией Земли. Температура на Земле подходит для жизни, потому что парниковые газы (углекислый газ, водяной пар) прозрачны для видимого света, но поглощают инфракрасное излучение.

Применение

Благодаря своим свойствам инфракрасное излучение имеет множество применений и оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь. Оно используется в химическом анализе для определения структуры материалов. Оно также используется в терапевтических целях в так называемой диатермии — процедуре, которая заключается во внутреннем прогревании болезненных мышц и суставов.

Оно используется в термолокации для наблюдения за объектами в темноте с помощью ночного зрения, например, наблюдение за летучими мышами в пещере ночью. Поскольку инфракрасное излучение меньше поглощается при прохождении через туман и облака, чем видимое излучение, оно используется для фотографирования объектов на значительном расстоянии.

Тепловизионная камера, используемая, например, военными, также использует инфракрасное излучение. Это излучение также используется в пультах дистанционного управления домашними электронными устройствами (например, телевизором, видеомагнитофоном, дверью гаража, сигнализацией), в управлении трамвайными выключателями.