3. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

Определения и обозначения

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, расположенное за красной границей видимого света. Его примерный диапазон длин волн — от 0,76 мкм до 1 мм, хотя границы в разных источниках могут немного различаться. Оно невидимо для глаза, но важно для изучения теплового обмена и работы датчиков.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение за фиолетовой границей видимого спектра. Его длины волн составляют примерно от 10 до 400 нм, то есть они короче волн видимого света. Это определение помогает отличать ультрафиолет от фиолетового света и объяснять его особое действие на вещества и живые ткани.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, возникающее благодаря внутренней энергии тела и тепловому движению его частиц. Распределение энергии по длинам волн зависит от температуры: при её изменении меняется и состав излучения. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему нагретые предметы излучают, а по их излучению можно судить о температуре.

Как это устроено

Инфракрасные волны, видимый свет и ультрафиолет относятся к одному электромагнитному спектру. Они отличаются частотой и длиной волны, а не природой: в вакууме все распространяются со скоростью света и подчиняются соотношению c = λν. Поэтому за красной границей спектра длина волны увеличивается, а частота уменьшается; за фиолетовой границей длина волны становится меньше, а частота — больше.

Нагретое тело излучает, потому что его частицы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют друг с другом. Эти процессы сопровождаются испусканием электромагнитных волн, причём при обычных температурах существенная часть энергии приходится на инфракрасный диапазон. Если направить такое излучение на чувствительный термометр или другой приёмник, он поглотит энергию и нагреется, поэтому его показания изменятся.

Температура влияет не только на общую мощность излучения, но и на то, как энергия распределяется между волнами разной длины. При повышении температуры излучение становится интенсивнее, а максимум распределения смещается к коротким волнам. Поэтому раскалённое тело может светиться видимым светом, тогда как более холодное обычно излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне.

Ультрафиолет испускают горячие источники и электрические разряды; к естественным источникам относится Солнце. В горячих областях вещества частицы обладают большой энергией, а при разряде ускоренные заряженные частицы возбуждают атомы и молекулы. Возбуждённые частицы могут испускать фотоны высокой частоты, в том числе ультрафиолетовые, поэтому такое излучение встречается и в солнечном свете, и около разрядных ламп.

Ультрафиолет способен вызывать химические изменения и воздействовать на живые ткани, поэтому его применяют для обеззараживания и анализа веществ по люминесценции — свечению, возникающему после поглощения энергии. То же действие при большой интенсивности или долгом облучении может повреждать кожу и глаза. Значительную часть солнечного ультрафиолета поглощают кислород и озон в атмосфере, что уменьшает его воздействие на организмы у поверхности Земли.

Сравнение инфракрасного и ультрафиолетового излучений

Сначала сравните положение излучений относительно видимого света, а затем — длины волн и частоты: эти характеристики связаны обратной зависимостью. Действие и применение помогают понять, почему ИК используют прежде всего для регистрации тепла, а УФ — для воздействия на вещества и микроорганизмы.

Разбор задач

Задача 1. У прибора указана длина волны излучения 900 нм. Определите, к какой части спектра оно относится. Сравним значение с границей видимого света около 760 нм и с диапазоном инфракрасных волн. Важно привести единицы к одному масштабу: 900 нм больше 760 нм.

1. Видимый свет занимает приблизительно диапазон 380–760 нм, а инфракрасное излучение начинается за красной границей.
2. Поскольку 900 нм больше 760 нм, волна находится за красной границей и относится к инфракрасной области.
3. Ответ: излучение с длиной волны 900 нм — инфракрасное.

Задача 2. В опыте нагретый предмет направили на чувствительный термометр, и его показания выросли. Объясните наблюдение и назовите вид излучения. Чтобы понять результат, проследим, куда передалась энергия от предмета: приёмник поглотил излучение и нагрелся. Нагрев указывает на перенос энергии, а не на то, что термометр обязательно соприкоснулся с предметом.

1. Нагретые тела испускают электромагнитные волны, значительная доля которых при обычных температурах приходится на инфракрасный диапазон.
2. Приёмник поглощает часть этих волн, его внутренняя энергия возрастает, поэтому повышаются показания термометра.
3. Ответ: наблюдение объясняется передачей энергии инфракрасным излучением; таким способом его обнаруживают по тепловому действию.

Задача 3. Сравните излучения с длинами волн 300 нм и 3 мкм: укажите, какое из них ультрафиолетовое, а какое инфракрасное, и объясните, у какого выше частота. Сначала выразим обе длины в одинаковых единицах: 3 мкм = 3000 нм. После классификации используем соотношение c = λν, показывающее обратную зависимость частоты от длины волны.

1. 300 нм меньше приблизительной фиолетовой границы 400 нм, поэтому это ультрафиолетовое излучение.
2. 3 мкм = 3000 нм — длина волны больше красной границы видимого света, значит, это инфракрасное излучение.
3. Частота выше у волны с меньшей длиной, то есть у излучения 300 нм. Ответ: 300 нм — ультрафиолет, 3 мкм — инфракрасное; более высокая частота у ультрафиолета.

Типичные ошибки

Иногда ИК и УФ принимают за разновидности звука или тепла. Ошибка возникает из-за того, что инфракрасное излучение ощущается как тепло, но оба вида излучения являются электромагнитными волнами, а тепло здесь описывает перенос энергии. Проверьте себя: у волны есть длина и частота, а звук распространяется как механическое колебание среды.

Другая ошибка — менять местами границы спектра: ИК находится за красной, а УФ — за фиолетовой. Чтобы не путаться, двигайтесь по спектру от красного к фиолетовому: длина волны уменьшается, затем за фиолетовым начинается ультрафиолет; за красным располагается инфракрасный диапазон. Сверка с примерными длинами волн позволяет быстро проверить классификацию.

Неверно думать, что ИК излучают только раскалённые предметы. Излучение испускают любые тела с температурой выше абсолютного нуля, хотя его интенсивность и спектральный состав зависят от температуры. Проверка проста: обычное тело тоже обладает внутренней энергией, а значит, может излучать электромагнитные волны.

Наконец, ультрафиолет нельзя считать безвредным при любых условиях. Его эффект зависит от интенсивности и длительности воздействия: полезный для обеззараживания поток при чрезмерном облучении способен повредить живые ткани. Перед применением УФ-источника учитывают меры защиты и не направляют его на кожу или глаза без необходимости.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что свет — электромагнитная волна, и уметь связывать длину волны с частотой: c = λν. Это соотношение объясняет, почему у ультрафиолета частота выше, чем у видимого света, а у инфракрасного — ниже. Практические применения показывают связь физики с техникой и биологией: ИК используют в тепловизорах, пультах дистанционного управления и для передачи энергии, а УФ — в люминесцентном анализе и обеззараживании.

Что запомнить

• Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения — невидимые электромагнитные волны.
• Инфракрасное излучение расположено за красной границей видимого спектра.
• Ультрафиолетовое излучение расположено за фиолетовой границей видимого спектра.
• Инфракрасное излучение особенно заметно по тепловому действию.
• Источниками ультрафиолета служат, в частности, Солнце и электрические разряды.
• Избыток ультрафиолетового излучения опасен для живых тканей.