§ 84. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения

Определения и обозначения

Инфракрасное излучение — невидимое электромагнитное излучение с частотами ниже частоты видимого красного света. В спектре оно находится за красной границей, а примерный диапазон длин волн составляет от 0,76 мкм до 1 мм. Это определение помогает отличать инфракрасные волны от красного света: глаз их не видит, хотя они могут нагревать предметы.

Ультрафиолетовое излучение — невидимое электромагнитное излучение с частотами выше частоты видимого фиолетового света. Оно расположено за фиолетовой границей спектра, его примерные длины волн — от 10 до 400 нм. Понимание этого положения важно для объяснения особого действия ультрафиолета: его фотоны обладают большей энергией, чем фотоны видимого света.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Оно связано с температурой: чем сильнее нагрето тело, тем заметнее его излучение и тем иначе распределена энергия по длинам волн. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему нагретые предметы испускают инфракрасные волны, а очень горячие могут светиться видимым светом.

Как это устроено

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолет — части единого электромагнитного спектра. Если двигаться от ИК-области через красный и фиолетовый свет к УФ-области, частота увеличивается, а длина волны уменьшается. Причина этой обратной связи — соотношение c = λν: в вакууме скорость c постоянна, поэтому рост частоты означает уменьшение длины волны. В разных веществах скорость меняется, но взаимосвязь частоты и длины волны сохраняется с учётом скорости распространения в этой среде.

Нагретые тела испускают электромагнитные волны, потому что их частицы непрерывно движутся и взаимодействуют, а внутренняя энергия может уходить с излучением. При температурах обычных окружающих предметов значительная часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне. С ростом температуры меняется распределение излучения: горячее тело может испускать также видимый свет, как раскалённая спираль. Поэтому тепловое излучение не следует отождествлять только с инфракрасным.

Когда вещество поглощает инфракрасные волны, энергия передаётся его частицам и усиливает их тепловое движение. В результате тело нагревается, поэтому ИК-излучение применяют для обогрева и сушки. Обнаружить его можно по нагреванию приёмника или по электрическому сигналу чувствительного элемента; так работают тепловизоры и многие датчики. Ночью тепловизор показывает тёплые объекты благодаря различию их инфракрасного излучения и излучения окружающего фона.

Естественный источник ультрафиолета — Солнце, а получить его можно и при электрическом разряде в газе. УФ-излучение Солнца проходит через космическое пространство, но атмосфера поглощает значительную его часть. Особенно важную роль играет озоновый слой: он задерживает опасную часть солнечного ультрафиолета и тем самым защищает живые организмы у поверхности Земли. Поэтому состав УФ-излучения на поверхности зависит не только от Солнца, но и от состояния атмосферы.

Ультрафиолет может запускать химические реакции, вызывать биологические изменения и приводить к флуоресценции — свечению вещества после поглощения излучения. Эти свойства используют, например, при обеззараживании и проверке меток на документах. Умеренное воздействие солнечного ультрафиолета участвует в образовании витамина D в коже, однако избыток повреждает клетки кожи и глаза. Чем короче длина волны, тем выше частота и энергия фотона, поэтому особенно важно ограничивать чрезмерное УФ-облучение.

Сравнение инфракрасного и ультрафиолетового излучений

Сравнивайте диапазоны прежде всего по положению относительно видимого света: ИК находится за красной границей, а УФ — за фиолетовой. Таблица также показывает, что характер действия этих излучений различается, хотя оба диапазона невидимы. Примерные границы длин волн нужны для оценки диапазона, а не для поиска абсолютно точной границы между областями.

Разбор задач

Задача 1

Условие: установить, к какому диапазону относится излучение с длиной волны 10 мкм, и сравнить её с длиной волны видимого красного света. Нужно сопоставить данное значение с границами спектральных областей, а не ориентироваться на то, что излучение может быть связано с нагреванием. Красный свет имеет длину волны около 0,62–0,76 мкм.

1. Запишем данную длину волны: 10 мкм.
2. Сравним её с примерной границей красного света — около 0,76 мкм. Значение 10 мкм больше, значит, волна лежит за красной границей.
3. По определению область за красной границей относится к инфракрасному излучению. Длина волны 10 мкм примерно в 10 / 0,76 ≈ 13 раз больше длины волны, соответствующей верхней границе красного света.

Ответ: излучение относится к инфракрасному диапазону. Его длина волны примерно в 13 раз больше длины волны красного света у границы видимого спектра. Поэтому глаз такую волну не воспринимает.

Задача 2

Условие: объяснить, почему нагретую печь можно обнаружить инфракрасным прибором в темноте, и назвать физическое действие, на котором основано обнаружение. Темнота означает отсутствие заметного видимого света, но не отсутствие электромагнитного излучения. Следовательно, нужно выяснить, что испускает нагретая печь и как реагирует прибор.

1. Нагретая печь испускает тепловое излучение, значительная часть которого при обычных температурах приходится на инфракрасный диапазон.
2. ИК-приёмник поглощает это излучение. Поглощение передаёт энергию чувствительному элементу и вызывает его нагрев или изменение электрических свойств.
3. Прибор преобразует изменение температуры либо электрического состояния в показание или изображение. Поэтому печь можно обнаружить и без видимого света.

Ответ: печь обнаруживается по её инфракрасному тепловому излучению. Физическая основа регистрации — нагревание чувствительного элемента или электрический сигнал, возникающий при поглощении излучения. Такой принцип используют тепловизоры и инфракрасные датчики.

Задача 3

Условие: сравнить ультрафиолетовые волны длиной 300 нм и 200 нм по частоте и энергии фотонов, затем определить, для какой требуется более строгая защита. Обе длины волн относятся к УФ-диапазону, но равенство диапазона не означает равенства энергии. Для сравнения воспользуемся связями ν = c / λ и E = hν, где h — постоянная Планка.

1. Сравним длины волн: 200 нм меньше 300 нм. Поскольку частота обратно пропорциональна длине волны, у волны 200 нм частота выше.
2. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте, поэтому фотон с длиной волны 200 нм несёт больше энергии. Отношение энергий равно 300 / 200 = 1,5.
3. Более коротковолновое излучение способно вызывать более энергичные фотохимические процессы. При прочих равных условиях именно для него необходима более строгая защита.

Ответ: частота и энергия фотонов при длине волны 200 нм выше, чем при 300 нм, в 1,5 раза. Более строгая защита нужна от излучения 200 нм. На практике степень риска зависит также от интенсивности и длительности облучения.

Типичные ошибки

Инфракрасное излучение иногда принимают за видимый красный свет, потому что его название напоминает о красной области. Но ИК-волны лежат за красной границей и глазом не воспринимаются. Проверка: сравните длину волны с верхней границей видимого спектра — около 0,76 мкм.

Другая ошибка — считать, что любое тепловое излучение является только инфракрасным. Такое представление возникает потому, что при обычных температурах ИК-диапазон действительно даёт значительную долю излучения. Однако спектр зависит от температуры, и достаточно горячее тело может светиться видимым светом. Проверка: вспомните раскалённую спираль или металл.

Частоту и длину волны порой считают величинами, которые одновременно растут при переходе по спектру. Причина путаницы — их связь с волной, но при постоянной скорости распространения они обратно пропорциональны: c = λν. Поэтому от ИК к УФ частота увеличивается, а длина волны уменьшается. Проверка: подставьте одну и ту же скорость c в формулу.

Невидимый ультрафиолет могут ошибочно считать безвредным, поскольку его нельзя увидеть или почувствовать сразу. Но он вызывает фотохимические и биологические реакции, а избыток повреждает ткани. Проверка: учитывайте не видимость, а энергию и действие излучения, а также длительность облучения. При работе с УФ-источниками защищайте кожу и глаза.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электромагнитных волнах и спектре, а также связь длины волны, частоты и скорости распространения: c = λν в вакууме. Эти понятия позволяют определить, где располагаются ИК- и УФ-области и как меняются свойства излучения. Далее тема связывается с квантовыми представлениями о свете: энергия фотона зависит от частоты и выражается формулой E = hν. Она также помогает изучать действие света на вещество, тепловое излучение и способы регистрации волн, которые глаз не видит.

Что запомнить

• Инфракрасное излучение лежит за красной границей видимого спектра.
• Ультрафиолетовое излучение лежит за фиолетовой границей видимого спектра.
• В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью.
• Чем выше частота излучения, тем меньше его длина волны.
• Нагретые тела испускают тепловое излучение; значительная его часть часто приходится на инфракрасный диапазон.
• Ультрафиолет способен вызывать фотохимические и биологические эффекты, поэтому избыточное облучение опасно.