3. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

Определения и обозначения

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение с длинами волн больше, чем у видимого красного света. Оно находится за красной границей видимого спектра, то есть со стороны больших длин волн и меньших частот. Этот диапазон особенно важен при изучении теплового излучения и регистрации температуры предметов.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с длинами волн меньше, чем у видимого фиолетового света. Оно расположено за фиолетовой границей спектра, где частота выше, а длина волны меньше, чем у видимого света. Такое положение объясняет его способность вызывать фотохимические реакции и изменения в живых клетках.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, возникающее благодаря внутренней энергии тела. Движение и взаимодействие частиц тела приводит к испусканию электромагнитных волн, причём при обычных температурах заметная их часть относится к инфракрасному диапазону. Поэтому нагревание можно не только ощущать, но и обнаруживать бесконтактно.

Как это устроено

Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения являются частями единого электромагнитного спектра, а не отдельными видами материи. По одну сторону видимого диапазона находится инфракрасная область, по другую — ультрафиолетовая. Для электромагнитной волны выполняется связь c = λν: при увеличении частоты ν длина волны λ уменьшается.

Нагретые тела испускают электромагнитные волны, потому что их частицы обладают внутренней энергией и постоянно взаимодействуют. При обычных температурах наиболее заметна длинноволновая часть излучения, поэтому тело главным образом отдаёт энергию в инфракрасном диапазоне. Если температуру повышать, излучение становится интенсивнее, а максимум его спектра смещается к более коротким волнам.

Инфракрасная волна, поглощённая веществом, передаёт ему энергию и может усиливать движение частиц, то есть нагревать тело. В тепловизоре датчики принимают инфракрасное излучение от разных участков объекта и сравнивают его интенсивность. Обогреватель направляет инфракрасные волны на предметы, а в пультах и некоторых системах связи эти волны переносят закодированные сигналы.

Источниками ультрафиолета служат Солнце, электрические разряды и специальные газоразрядные лампы. Энергия его фотонов достаточна для изменения некоторых молекул, поэтому ультрафиолет запускает фотохимические реакции. В живых организмах это может приводить как к полезным процессам, например образованию витамина D, так и к повреждению клеток.

Действие ультрафиолета определяется не только его наличием, но и интенсивностью, временем облучения и расстоянием до источника. Атмосфера поглощает значительную часть ультрафиолета, особенно наиболее жёсткую его составляющую, однако до поверхности Земли доходит не весь безопасный диапазон. Защитные очки, одежда, кремы и ограничение времени воздействия уменьшают риск повреждения кожи и глаз.

Сравнение инфракрасного и ультрафиолетового излучения

Таблицу удобно использовать, начиная с положения диапазона относительно видимого света. Затем по длине волны и источникам можно определить характерное действие и подходящее применение. Если требуется выбрать диапазон для нагревания или регистрации температуры, обычно ищут инфракрасное излучение, а для фотохимического воздействия — ультрафиолет.

Разбор задач

Задача 1. Порядок диапазонов по частоте

Нужно упорядочить видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения по возрастанию частоты. Инфракрасное находится за красной границей, а ультрафиолет — за фиолетовой. Поскольку частота обратно связана с длиной волны, положение диапазонов сразу задаёт порядок.

1. Самые длинные волны имеет инфракрасное излучение, значит, его частота наименьшая.
2. Видимый свет занимает промежуточную область спектра.
3. Ультрафиолет имеет самые короткие волны и наибольшую частоту.

Ответ: инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение.

Задача 2. Изменение спектра при нагревании

Тело нагрели, и интенсивность его излучения увеличилась. Требуется определить, как изменится спектральный состав. При повышении температуры частицы получают больше энергии и излучают не только интенсивнее, но и в области более коротких волн.

1. Увеличение температуры усиливает тепловое излучение во всём спектре.
2. Максимум спектральной интенсивности смещается к меньшим длинам волн, то есть к большим частотам.
3. Поэтому излучение может постепенно перейти от преимущественно инфракрасного к видимому и при очень высоких температурах к более коротковолновым областям.

Ответ: при нагревании излучение усиливается, а его спектр смещается в сторону коротких волн.

Задача 3. Выбор диапазона для прибора и обработки

Один прибор должен обнаруживать нагретый объект в темноте, а другой источник применяют для обработки инструментов и требуется фотохимическое действие. Сначала нужно связать назначение каждого устройства с физическим эффектом. Видимость объекта не обязательна, потому что прибор может регистрировать невидимое излучение.

1. Нагретый объект испускает тепловое излучение, значительная часть которого лежит в инфракрасном диапазоне.
2. Тепловизор регистрирует инфракрасные волны и строит изображение по их интенсивности.
3. Фотохимическое воздействие может вызывать ультрафиолет, поэтому для обработки выбирают источник ультрафиолетового излучения с контролируемой дозой.

Ответ: для обнаружения нагретого объекта нужен инфракрасный диапазон, для фотохимической обработки — ультрафиолетовый.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение иногда считают потоками особых частиц, не связанными со светом. Их природа та же, что у видимого света: это электромагнитные волны. Проверка проста: используйте общую связь c = λν для всех трёх диапазонов.

Ошибка 2. Диапазоны меняют местами, помещая ультрафиолет за красной границей. Нужно помнить порядок: после красного располагается инфракрасное излучение, после фиолетового — ультрафиолетовое. Самопроверка: меньшая длина волны должна соответствовать большей частоте.

Ошибка 3. Иногда считают, что инфракрасное излучение испускают только раскалённые тела. На самом деле тепловое излучение есть у тел при разных температурах, хотя его интенсивность и спектральный состав различаются. Спросите себя, может ли комнатный предмет излучать энергию: да, преимущественно в инфракрасном диапазоне.

Ошибка 4. Ультрафиолет объявляют либо полностью полезным, либо всегда опасным. Его действие зависит от интенсивности, длительности облучения и защиты. Проверяйте утверждение по дозе воздействия и учитывайте очки, одежду, экраны и поглощение атмосферой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны свойства электромагнитных волн, формула c = λν и представление о границах видимого спектра. Эти знания позволяют сравнивать диапазоны по длине волны, частоте и энергии. Связь с температурой подводит к изучению теплового излучения.

Тема связана со строением атома и квантовыми явлениями, поскольку излучение поглощается и испускается порциями энергии. Практические применения объясняют работу тепловизоров и источников ультрафиолета. В дальнейшем эти идеи помогают анализировать спектры и действие излучения на вещество.

Что запомнить

• Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения — электромагнитные волны.
• Инфракрасное излучение расположено за красной границей видимого спектра.
• Ультрафиолетовое излучение расположено за фиолетовой границей видимого спектра.
• При увеличении частоты длина волны уменьшается.
• Нагретые тела испускают тепловое электромагнитное излучение.
• Ультрафиолет может вызывать фотохимические и биологические эффекты; чрезмерное воздействие опасно.