Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Tepelné žiarenie sú elektromagnetické vlny vyžarované elektricky nabitými časticami v dôsledku ich tepelného pohybu v hmote.
Kovové tyče vyhrievané v taviacej peci jasne žiaria. Toto je tepelné žiarenie. Vyžarujú tepelné žiarenie len telesá s veľmi vysokou teplotou? Ukazuje sa, že každé teleso s teplotou nad absolútnou nulou je zdrojom tohto žiarenia. Prečo nevidíme toto žiarenie vychádzajúce z predmetov okolo nás? Odpoveď nájdete v tomto článku.
Príčiny tepelného žiarenia a jeho vlastnosti
Všetky telá sa skladajú z atómov alebo molekúl, ktoré sú v neustálom náhodnom pohybe. Dokonca aj molekuly pevných látok, „uzamknuté“ v kryštálovej mriežke, vykonávajú chaotické oscilácie. Tento náhodný pohyb atómov a molekúl sa nazýva tepelný pohyb. Vplyvom zrážok a medzimolekulových interakcií sa energia jednotlivých molekúl neustále mení. Zažívajú zrýchlenie a vibrácie. Atómy sa skladajú z kladne nabitého jadra a záporne nabitých elektrónov. Keď sa nabitá častica pohybuje so zrýchlením, vyžaruje elektromagnetickú vlnu.
Všetky telesá s teplotou nad absolútnou nulou (-273,15 ℃, 0K) vyžarujú tepelné žiarenie. Elektromagnetické vlny dopadajúce na teleso môže absorbovať. Čím viac energie telo pri konštantnej teplote absorbuje, tým viac energie vyžaruje. Pomer absorbovaného a emitovaného žiarenia nezávisí od povahy telesa – pre všetky telesá je to rovnaká funkcia teploty a vlnovej dĺžky.
Prečo vidíme len tepelné žiarenie z veľmi horúcich telies ako kovová tyč v huti?
Svetlo je elektromagnetická vlna. Každá farba svetla má svoju vlnovú dĺžku. Červené svetlo má najdlhšiu vlnovú dĺžku, modré a fialové najkratšiu. Biele svetlo je zmesou všetkých farieb, ktoré sa objavujú v dúhe, ktorá vzniká, keď sa biele svetlo rozdelí na kvapôčky vody v atmosfére (obr. 1.).
Ryža. 1. Dúha. Každá farba svetla má svoju vlastnú vlnovú dĺžku, od najvyššej pre červené svetlo po najnižšiu pre fialovú.
Keď zohrejete kovovú tyč, napríklad nad plynovým horákom, na približne 500°C, všimnete si, že svieti na červeno. Keď sa teplota tyče zvýši, farba svetla sa zmení na oranžovú, žltú a potom bielu. Zvýšenie teploty spôsobuje, že elektromagnetické vlny sú vyžarované so stále kratšími vlnovými dĺžkami.Súčasne so zvýšením teploty sa tyč leskne čoraz intenzívnejšie – hovoríme, že sa zvyšuje ožiarenosť, t.j. energia žiarenia uvoľnená na 1 sekundu na 1 m2 povrchu tela.
Všetky horúce telá žiaria. Ukazuje sa, že nízkoteplotné telesá, ktoré nežiaria viditeľným svetlom, tiež vyžarujú žiarenie, ale v rozsahu vlnových dĺžok viac ako viditeľné svetlo. Toto žiarenie sa nazýva infračervené žiarenie. Pre naše oči je neviditeľný, no nesie tepelnú energiu. Infračervené žiarenie sa využíva napríklad na zahrievanie tela špeciálnou infračervenou lampou (obr. 2.). Vidíme, že lampa svieti dosť slabým červeným svetlom, no jej žiarenie v pre nás neviditeľnom infračervenom pásme je oveľa intenzívnejšie. Jeho účinky môžeme cítiť len vo forme telesného tepla.
Ryža. 2. Infračervená liečebná lampa vyžaruje tepelné žiarenie hlavne v rozsahu dlhších vlnových dĺžok ako viditeľné svetlo.
Tento príklad ukazuje, že tepelné žiarenie nie je obmedzené na úzky rozsah vlnových dĺžok. Telesá vyžarujú žiarenie akejkoľvek vlnovej dĺžky vo veľmi širokom rozsahu od ultrafialového po infračervené, ale maximum tohto žiarenia sa vyskytuje v určitom rozsahu vlnových dĺžok v závislosti od teploty.
V infračervenej lampe teda maximum žiarenia dopadá na rozsah vlnových dĺžok zodpovedajúci infračervenému žiareniu, zatiaľ čo v iných rozsahoch je žiarenie oveľa slabšie. Keď sa kovová tyč zahreje na červenú, okrem červeného svetla, ktoré vidíme, sa vyžaruje aj infračervené žiarenie, ktoré je pociťované ako pocit tepla. Ďalšie zvýšenie teploty vedie k zvýšeniu podielu krátkych vlnových dĺžok, v dôsledku čoho sa farba tyčinky zmení na žltú a následne na bielu. Tyč stále vyžaruje červené svetlo a infračervené žiarenie, ale ich podiel na celkovom žiarení je menší.
Slnečné svetlo vyžarované z povrchu Slnka s teplotou okolo 6000 K obsahuje viditeľné svetlo v celom rozsahu vlnových dĺžok, ako aj pre nás neviditeľné ultrafialové žiarenie (UV) s vlnovými dĺžkami kratšími ako viditeľné svetlo. Práve vďaka tomuto žiareniu sa opaľujeme.
Čo je dôvodom, prečo dominantná vlnová dĺžka tepelného žiarenia klesá so zvyšujúcou sa teplotou? Zvýšenie teploty znamená zvýšenie priemernej kinetickej energie molekúl a následne zvýšenie priemernej energie žiarenia emitovaného časticami. Čím väčšia energia žiarenia, tým kratšia vlnová dĺžka.
Spektrum tepelného žiarenia
Snímky z Hubbleovho vesmírneho teleskopu nám ukazujú nezvyčajné dynamické udalosti vo vesmíre. Jedna z nich ukazuje zrážku dvoch galaxií, ktoré sú obrovskými zbierkami mnohých miliárd hviezd, plynu a medzihviezdneho prachu. Zrážka spôsobila explozívny vznik nových hviezd. Ako však môžeme vedieť, ktoré hviezdy sú mladé, novovzniknuté a ktoré staré? Tieto informácie získame analýzou tepelných emisných spektier hviezd.
Ryža. 3. Zrážka dvoch galaxií zachytených Hubblovým teleskopom. Zdroj fotografie - ESA
Zo skúseností vieme, že telesá pri veľmi vysokých teplotách, ako napríklad tekutý kov alebo fotosféra Slnka, žiaria bielym svetlom. Ak toto svetlo prechádza cez hranol, rozdelí sa na rôzne farby (obr. 4). Každá farba zodpovedá inej elektromagnetickej vlnovej dĺžke, od 400 nm pre fialovú až po 700 nm pre červenú. Rozdelením bieleho svetla na jednotlivé farby dostaneme spektrum bieleho svetla (obr. 5).
Ryža. 4. Svetlo sa v hranole rozdeľuje na jednotlivé farby, čím vzniká spektrum bieleho svetla
Ryža. 5. Spektrum bieleho svetla
Emisné spektrum je zaznamenaný obraz žiarenia distribuovaného na rôznych vlnových dĺžkach.
Rozdelenie bieleho svetla ukazuje, z akých farieb sa svetlo skladá, ale neposkytuje informáciu o sile žiarenia na všetkých po sebe nasledujúcich miestach farebného spektra. Pre dôkladnejšie štúdium emisného spektra je potrebné pohybovať senzorom, ako je fotobunka, pozdĺž spektra, aby sa zmeral výkon pre každú vlnovú dĺžku.Namerané množstvo energie žiarenia v určitých rozsahoch vlnových dĺžok svetla umožňuje vykresliť krivku spektrálneho rozloženia (obr. 6.).
Ryža. 6. Spektrálna distribučná krivka ukazuje nameranú energiu žiarenia v určitých spektrálnych rozsahoch
Na obr. 7 je znázornená krivka spektrálneho rozloženia slnečného žiarenia. Na zvislej osi je znázornená energia žiarenia v rozsahu vlnových dĺžok (λ, λ + Δλ) emitovaná za jednotku času, na vodorovnej osi je znázornená vlnová dĺžka žiarenia λ s rozsahom vlnových dĺžok viditeľného svetla. Slnečné žiarenie ďaleko presahuje tento rozsah. Obsahuje ultrafialové žiarenie s vlnovou dĺžkou kratšou ako viditeľné svetlo a infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou dlhšou ako viditeľné svetlo. Slnečné svetlo obsahuje všetky vlnové dĺžky viditeľného svetla, takže slnečné svetlo vnímame ako biele.
Ryža. 7. Krivka spektrálneho rozloženia slnečného žiarenia - závislosť intenzity žiarenia od vlnovej dĺžky
Maximum grafu je pri vlnovej dĺžke asi 500 nm, čo zodpovedá zelenej.
Poloha maxima žiarenia je určená teplotou emitujúceho telesa. Čím je teplota vyššia, tým je vlnová dĺžka maxima žiarenia kratšia (obr. 8.). Z tohto dôvodu, keď zohriate teleso začne žiariť, najskôr sa rozžiari na červeno a so stúpajúcou teplotou sa farba zmení na žltú a nakoniec na bielu, keď sa zvýši podiel svetla kratších vlnových dĺžok.
Ryža. 8. Krivky spektrálneho rozloženia tepelného žiarenia pre rôzne teploty vyžarujúceho telesa
Žiarenie, ktoré vyžarujú ľudia a väčšina predmetov okolo nás, nie je viditeľné, pretože maximum žiarenia leží v infračervenej oblasti. Naše oči takéto žiarenie nedokážu vnímať, dá sa však zachytiť termovíznou kamerou, ktorá registruje infračervené žiarenie.
Krivky spektrálneho rozloženia tepelného žiarenia pre vyššie teploty sú vyššie ako pre nižšie. To znamená, že so zvyšovaním telesnej teploty sa zvyšuje aj celková energia žiarenia. Plocha pod grafom (pozri obrázok 7) je mierou celkovej energie emitovanej na jednotku plochy tela. Energia vyžarovaná jedným povrchom silne závisí od teploty. To je dôvod, prečo telesá s veľmi vysokou teplotou žiaria oveľa jasnejšie ako telesá s nižšou teplotou.
Vzorce, ktoré odrážajú závislosť tepelného žiarenia od teploty
Takže maximum krivky spektrálneho rozloženia žiarenia sa s rastúcou teplotou posúva smerom ku kratším vlnovým dĺžkam. Vlnová dĺžka λmaxzodpovedajúca maximálnemu žiareniu je nepriamo úmerná absolútnej telesnej teplote: λmax=b / T, kde b=2,89810-3 m·K - koeficient úmernosti (Wienova konštanta). Tento vzorec sa nazýva Wienov posunovací zákon.
Analýza grafov na obr. 8 umožňuje vyvodiť ešte jeden záver. Vidíme, že krivky pre vyššie teploty ležia vyššie a vyššie. To znamená, že so stúpajúcou telesnou teplotou sa zvyšuje aj celková energia žiarenia. Tieto vzťahy sú veľmi silné. Energia žiarenia je priamo úmerná T4Teplotná závislosť energie žiarenia, nazývaná Stefan-Boltzmannov zákon, má nasledujúci tvar: E=σT4, kde
kde E je energia vyžiarená na jednotku plochy tela a za jednotku času, T je teplota na Kelvinovej stupnici a σ je Stefanova-Boltzmannova konštanta, ktorá sa rovná: σ=5,67 - 10-8W / (m2K4).
Znalosť spektrálnej distribučnej krivky vám umožňuje určiť teplotu vzdialeného svetelného objektu. Ak určíme vlnovú dĺžku zodpovedajúcu maximu krivky, potom po transformácii Wienovho vzorca dostaneme teplotu objektu: T=b / λmax .
Teda bez opustenia Zeme sa určuje teplota Slnka a ostatných hviezd. Ukazuje sa, že naše Slnko vyžaruje tak, že krivka spektrálneho rozloženia zodpovedá teplote asi 5800 K - priemernej teplote povrchu Slnka.
Ak poznáme vzdialenosť hviezdy, môžeme vypočítať jej priemer na základe analýzy tepelného žiarenia. Intenzita žiarenia klesá so vzdialenosťou, ale ak poznáme vzdialenosť, môžeme vypočítať celkovú energiu vyžarovanú hviezdou. Teraz stačí vydeliť celkovú energiu energiou vyžiarenou na jednotku plochy, získanou zo Stefanovho-Boltzmannovho zákona, aby sme dostali plochu disku hviezdy, z ktorej k nám žiarenie dopadá.
Referencie
- Tashlykova-Bushkevich I. I. Fyzika. Uch. príspevok. O 2 h. Časť 2. Minsk, 2008.
- Savelyev I. V. Kurz všeobecnej fyziky. - V. 3. Kvantová optika. Atómová fyzika. Fyzika pevných látok. Fyzika atómového jadra a elementárnych častíc.
- Kuenzer, C. a S. Dech (2013): Tepelné infračervené diaľkové snímanie: Senzory, metódy, aplikácie (=Diaľkové snímanie a digitálne spracovanie obrazu 17). Dordrecht: Springer.
- Fyzika. 11. ročník: učebnica. pre všeobecné vzdelanie inštitúcie: základné a profilové. úrovne / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; vyd. V. I. Nikolajev, N. A. Parfenteva. - 19. vyd. - M.: Osvietenie, 2010. - 399 s.