§ 4.5. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения

Определения и обозначения

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение с длинами волн больше, чем у видимого красного света. Оно расположено за красной границей видимого спектра и обычно не воспринимается глазом. Его часто называют тепловым излучением, потому что поглощение инфракрасных волн телами нередко приводит к нагреванию. Это свойство используют, например, в обогревателях и тепловизорах.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с длинами волн меньше, чем у видимого фиолетового света. В спектре оно находится за фиолетовой границей, со стороны более коротких волн и более высоких частот. Глаз человека его не видит, но оно может воздействовать на вещества и живые ткани. Поэтому ультрафиолет применяют в тех случаях, когда важны его химические или биологические свойства.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, возникающее из-за теплового движения частиц тела. Чем активнее движутся частицы, тем иначе распределена энергия излучения по длинам волн; поэтому нагретое тело способно испускать инфракрасные волны. При достаточно высокой температуре в его излучении появляется и видимый свет. Это понятие помогает связать температуру источника с составом испускаемого им спектра.

Как это устроено

Электромагнитный спектр включает волны разных частот и длин волн, а видимый свет занимает лишь небольшую его часть. По одну сторону от красного света находится инфракрасное излучение, по другую, за фиолетовым, — ультрафиолетовое. При распространении в вакууме волны движутся со скоростью света, поэтому длина волны λ и частота ν связаны соотношением c = λν. Переход от одного диапазона к другому непрерывен, а границы устанавливают условно: чувствительность глаза у разных людей и приборов различается.

Инфракрасное излучение открыл Уильям Гершель, изучая солнечный спектр. Он направил разложенный призмой свет на термометры и сравнивал их показания в разных цветных участках. За красной границей термометр тоже нагревался, хотя видимого света там не было. Из этого Гершель заключил, что невидимое излучение переносит энергию и может нагревать тела.

Ультрафиолет обнаружил Иоганн Риттер, исследуя химическое действие спектральных лучей. Он заметил, что за фиолетовой границей светочувствительное вещество изменяется сильнее, чем в видимой части спектра. Значит, за пределами видимого света присутствуют невидимые лучи с выраженным химическим действием. Такой способ обнаружения показывает, что излучение можно выявить не только глазом, но и по его воздействию на вещество.

Источниками обоих диапазонов могут быть нагретые тела, но их излучение не одинаково. Распределение энергии по спектру зависит от температуры и свойств источника: при нагревании максимум теплового излучения смещается к более коротким волнам. Поэтому у сравнительно прохладного тела заметная доля энергии приходится на инфракрасный диапазон, а у очень горячего возрастает доля видимого света. Кроме того, специальные лампы и приборы могут создавать излучение нужного диапазона.

Инфракрасное излучение прежде всего связывают с передачей энергии и нагреванием; его используют в тепловизорах, обогревателях и системах дистанционного управления. Ультрафиолет способен вызывать химические изменения и биологические реакции, поэтому его применяют, например, для обеззараживания и анализа веществ. Но интенсивный ультрафиолет опасен для кожи и глаз: при работе с источниками нужны защитные очки и закрытая одежда, а прямого взгляда на лампу следует избегать. Использовать любой диапазон следует с учётом мощности, расстояния и времени воздействия.

Сравнение инфракрасного и ультрафиолетового излучений

Таблица помогает быстро сравнить положение диапазонов в спектре, их свойства и способы обнаружения. Для проверки связи длины волны и частоты помните: чем короче волна, тем выше её частота. Примеры применения не отменяют необходимости соблюдать меры защиты.

Разбор задач

Задача 1

Расположите видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения по возрастанию частоты. Нужно сравнить диапазоны, а не отдельные цвета внутри видимой части. Используйте их положение относительно красной и фиолетовой границ.

1. Инфракрасное излучение лежит за красной границей и имеет меньшую частоту, чем видимый свет.
2. Ультрафиолет расположен за фиолетовой границей, где частота выше, чем у видимого света.
3. Значит, при движении от меньшей частоты к большей сначала идёт инфракрасное излучение, затем видимый свет, затем ультрафиолетовое.

Ответ: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое излучения.

Задача 2

Длина волны излучения равна 300 нм. Определите диапазон и сравните его частоту с частотой красного света длиной волны 700 нм. Значения даны в нанометрах, поэтому сравнивать длины волн можно непосредственно, не переводя их в метры.

1. Видимый свет имеет длины волн примерно от 400 до 700 нм, а 300 нм короче фиолетового света.
2. Следовательно, излучение с длиной волны 300 нм относится к ультрафиолетовому диапазону.
3. При одинаковой скорости света частота обратно пропорциональна длине волны: ν = c/λ. Поэтому отношение частот ν₃₀₀/ν₇₀₀ = 700/300 ≈ 2,33.

Ответ: ультрафиолетовое излучение; его частота примерно в 2,3 раза выше частоты красного света с длиной волны 700 нм.

Задача 3

Нагретое тело испускает излучение, максимум которого при увеличении температуры смещается к меньшим длинам волн. Объясните, как изменятся доли инфракрасного и видимого излучений. Здесь важно не считать, что одно излучение просто исчезает: меняется распределение энергии по всему спектру.

1. Сначала максимум может приходиться на инфракрасный диапазон, поэтому значительная доля излучения будет невидима и связана с нагреванием.
2. При повышении температуры максимум смещается к коротким волнам, ближе к видимой части спектра.
3. Доля видимого излучения возрастает, и тело может начать светиться. Доля инфракрасного в общем излучении обычно уменьшается, хотя тело продолжает испускать инфракрасные волны.

Ответ: при нагревании растёт доля видимого излучения, а относительная доля инфракрасного уменьшается, потому что максимум спектра перемещается к более коротким длинам волн.

Типичные ошибки

Ошибка — считать инфракрасное излучение разновидностью тепла, а ультрафиолет — разновидностью звука или иной невидимой субстанцией. Так путают волну с эффектом её действия: инфракрасное и ультрафиолетовое излучения являются электромагнитными волнами. Проверка: вспомните, что они распространяются как свет и имеют длину волны и частоту, а нагрев или химическое изменение — результат взаимодействия с веществом.

Ошибка — считать границы диапазонов абсолютно точными и одинаковыми для всех источников. Её допускают, потому что в учебных схемах спектр часто делят на отдельные цветные участки. На деле диапазоны переходят один в другой, а видимая граница зависит от чувствительности глаза и принятого соглашения. Проверяйте не только число, но и то, что граница указана приблизительно.

Ошибка — перепутать длину волны и частоту инфракрасного излучения. Поскольку оно находится за красной границей, его длина волны больше, а частота меньше, чем у видимого света. Проверить себя можно формулой c = λν: при неизменной скорости света увеличение λ означает уменьшение ν.

Ошибка — считать ультрафиолет безопасным, потому что его не видно. Невидимость не означает отсутствия действия: ультрафиолет способен повреждать кожу и глаза. Иногда его недооценивают, поскольку неприятные последствия могут проявиться не сразу. Проверка простая: оценивайте мощность и длительность облучения и используйте защиту, даже если лампа не кажется яркой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что свет — электромагнитная волна, и уметь связывать длину волны, частоту и скорость распространения. Основное соотношение c = λν позволяет сравнивать диапазоны без приборов: короткой волне соответствует высокая частота. Эти знания продолжают изучение электромагнитного спектра и показывают, что видимый свет — лишь его часть.

Сведения об инфракрасном излучении помогают объяснить тепловое излучение и изменение спектра при нагревании тел. Ультрафиолетовые волны важны для изучения квантовой физики и взаимодействия излучения с веществом. Практические примеры показывают, как свойства электромагнитных волн используют в технике и медицине, а также почему при этом необходима защита.

Что запомнить

• Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения невидимы для глаза.
• Инфракрасное излучение находится за красной границей видимого спектра.
• Ультрафиолетовое излучение находится за фиолетовой границей видимого спектра.
• У инфракрасного излучения длина волны больше, а частота меньше, чем у видимого света.
• Ультрафиолетовое излучение может оказывать химическое и биологическое действие.
• Нагретые тела могут быть источниками инфракрасного излучения.
• При работе с ультрафиолетовыми источниками необходима защита глаз и кожи.