Лекція 2. Випромінювання та спектри.
Зміст
Електромагнітне випромінювання
Загалом, фізику процесу випромінювання ми вже розглянули на минулому занятті, тепер давайте поглянемо на це детальніше.
Як відомо, частинки матерії перебувають у стані постійного руху, що створює внутрішню кінетичну енергію об'єкта чи системи, це називається тепловою енергією. Вона вимірюється у джоулях (Дж) або калоріях (кал). Температура – це величина, що характеризує середню внутрішню енергію об'єкта чи системи. Що температура, тим швидше вібрують частинки матерії. Температура вимірюється в Кельвінах (К) або градусах Цельсія (°C). Теплова енергія може бути передана від одного об'єкта або системи до іншого в процесі, відомому просторіччя як «нагрів». Передача теплової енергії походить від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою за допомогою випромінювання, конвекції або теплопровідності. На практиці для розрахунків передачі користуються величиною теплового потоку, який вимірюється у (Дж/с), (кал/с) або ватах (Вт). Чим більша різниця температур між двома тілами, тим вища швидкість цього потоку. Процес передачі теплової енергії продовжується доти, доки не встановиться рівновага температур. Між твердими тілами тепло передається переважно через теплопровідність (кондукція), а між рідинами та газами за допомогою конвекції. Однак тепловізійні пристрої безпосередньо виявляють лише теплове випромінювання.
Шляхом випромінювання тепло передається як електромагнітних хвиль, які характеризуються своєю довжиною. Так, наприклад, рентгенівські промені мають короткі довжини хвилі, менші за міліметр, а радіохвилі можуть мати довжини в кілька кілометрів.
Теплове випромінювання
Теплове випромінювання поводиться майже так само, як видиме світло. Воно може бути відображеним (як світло відображається дзеркалом) або пропущеним (як світло проходить крізь прозоре скло). Наше візуальне сприйняття теплового випромінювання багато в чому залежить від кількості випромінюваної енергії. Дуже гарячі об'єкти (сонце або розжарений метал) випромінюють теплову енергію на довжині хвилі, що знаходяться в межах видимої області спектру, тоді як холодніші об'єкти випромінюють великі довжини хвиль, які не можна побачити неозброєним оком. На малюнку нижче показано, як розпечена частина металевого стрижня світиться білим світлом. Далі від кінця стрижня, при мінімальному зниженні температури, світло послідовно переходить до жовтого та червоного кольорів, а потім і до невидимої для ока інфрачервоної області спектру. Однак спеціальні датчики можуть фіксувати теплове випромінювання в інфрачервоній області.
Сонячне світло
Сонячне світло також є наслідком того, як висока температура матеріалу випромінює теплову енергію на довжинах хвиль видимого спектру, але реакція, що відбувається на поверхні сонця трохи відрізняється від поверхні розжареного металу, тому спектр випромінювання від нього набагато ширший, він у свою чергу інтенсивний і в ультрафіолетовому спектрі, на який наша шкіра реагує гарною засмагою, та в інфрачервоному, який ми відчуваємо як тепло від сонячного світла. Крім іншого на інтенсивність сонячного випромінювання сильно впливає через яке роду атмосферу воно проходить.
Важливо розуміти різницю між тепловим випромінюванням та інфрачервоним. Коли суцільний спектр електромагнітного випромінювання, що виділяється тілом, потрапляє в межу видимого світла, як на малюнку з розжареним металом, частина цього спектра буде в видимому діапазоні, а частина в інфрачервоному. Відповідно поняття «теплове випромінювання» ширше, і виходить за межі інфрачервоного діапазону.
