работа по общей физике (стр. 2 из 5)

Рис. 4. Приемник теплового излучения М. Меллони (1840 г.) с гальванометром (справа)

В1880 г. английский физик С. П. Ланглей создал принципиально новый приемник тепловых излучений - болометр, обладающий высокой чувствительностью и сравнительно малой инерционностью.

В начале XX в. бурное развитие получают фотоэлектрические приемники инфракрасного (сокращенно - ИК) излучения, получившие название фото-сопротивлений. Получили также распространение приемники ИК-излучений, основанные на использовании явления внешнего фотоэффекта (фотодиоды, фотоэлементы, а несколько позднее - фотоэлектронные умножители - ФЭУ и др.).

Как мы уже говорили, любые фотоэлементы, независимо от силы освещения испускают тепловые лучи. Устройство, способное "видеть" предметы не в оптическом (видимом), а в инфракрасном (тепловом) диапазоне спектра было создано в 1934 г. Это был электронно-оптический преобразователь, так называемый "стаканчик Холста", представлявший собой стеклянную колбу с параллельными передней и задней стенками. На переднюю стенку падало инфракрасное излучение от предмета, на задней стенке появлялось его видимое глазом изображение.

Рис. 5. Электронно-оптический преобразователь невидимого (теплового) излучения в видимое.

На основе электронно-оптического преобразователя в 30-40-х годах было создано большое число приборов ночного видения: ночных прицелов, ночных биноклей, систем ночного вождения автотранспорта.

В современное время ИК-излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле, в промышленности, в медицине и других областях.

2 Источники и приемники ИК-излучения

Естественными источниками инфракрасного излучения являются: Солнце, Земля, звезды, планеты. Искусственным источником ИК-излучения является любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды: костер, горящая свеча, работающий двигатель внутреннего сгорания, ракета, включенная электрическая лампа. Уместно заметить, что в электрической лампе накаливания только примерно 3-4 % подводимой к ней электрической энергии преобразуется в свет, а 95 % - в инфракрасное излучение.

Мощным источником И. и. является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на ИК-излучение. (рис.6)

Рис. 6. Кривые излучения абсолютно чёрного тела A и вольфрама B при температуре 2450 К. Заштрихованная часть — излучение вольфрама в инфракрасной области; интервал 0,4—0,74 мкм — видимая область.

При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только И.И. Мощным источником И. и. является угольная электрическая дуга с температурой ~ 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации И. и. такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники И. и.: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых оптических квантовых генераторов — лазеров - также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия — 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе — 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb — 5 мкм и др.

Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии И. и. в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники И. и. В первых поглощённое И. и. вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое И. и. приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки — инфрапластинки — также чувствительны к И. и. (до  = 1,2 мкм), и потому в И. и. могут быть получены фотографии.

3 Специфические свойства инфракрасного излучения

Специфические свойства инфракрасного излучения проявляются в их взаимодействии с веществом.

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях И. и. и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см непрозрачен для И. и. с λ > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для λ > 1,8 мкм, кремний для λ > 1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. Вещества, прозрачные для И. и. и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения И. и. Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько см) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов. Например, стекло прозрачно до 2,7 мкм, кварц — до 4,0 мкм и от 100 мкм до 1000 мкм, каменная соль — до 15 мкм, йодистый цезий — до 55 мкм. Полиэтилен, парафин, тефлон, алмаз прозрачны для λ > 100 мкм. У большинства металлов отражательная способность для И. и. значительно больше, чем для видимого света, и возрастает с увеличением длины волны И. И. Например, коэффициент отражения Al, Au, Ag, Cu при λ = 10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают в И. и. селективным отражением, причём положение максимумов отражения зависит от химического состава вещества.

Проходя через земную атмосферу, И. и. ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают И. и. и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для И. и. значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают И. и. Особенно сильно поглощают И. и. пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для И. и. (см. рис7).

Рис. 7. Кривая пропускания атмосферы в области 0,6 — 14 мкм. Полосы — «окна» прозрачности: 2,0 — 2,5 мкм, 3,2 — 4,2 мкм, 4,5 — 5,2 мкм, 8,0 — 13,5 мкм. Полосы поглощения с максимумами при λ = 0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74 мкм принадлежат парам воды; при λ = 2,7 и 4,26 мкм — углекислому газу и при λ= 9,5 мкм — озону.

Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению И. и. в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны И. и. При малых размерах частиц (воздушная дымка) И. и. рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) И. и. рассеивается так же сильно, как и видимое.

Глава 2 Применение ИК-излучения

Инфракрасное излучение широко используется в промышленности, научных исследованиях, медицине, в военной технике.

1 Инфракрасная спектроскопия

Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива.

Инфракрасная спектроскопия - раздел спектроскопии, включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра. И. с. занимается главным образом изучением молекулярных спектров, так как в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. В И. с. наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, которые возникают в результате поглощения ИК-излучения при прохождении его через вещество. Это поглощение носит селективный характер и происходит на тех частотах, которые совпадают с некоторыми собственными частотами колебаний атомов в молекулах вещества и с частотами вращения молекул как целого, а в случае кристаллического вещества — с частотами колебаний кристаллической решётки. В результате интенсивность ИК-излучения на этих частотах резко падает — образуются полосы поглощения (см. рис.8).

Рис. 8. Зависимость интенсивности падающего I₀() и прошедшего через вещество I() излучения. ₁, ₂, ₃,... — собственные частоты вещества; заштрихованные области — полосы поглощения.

Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I₀ и величинами, характеризующими поглощающее вещество, даётся законом Бугера — Ламберта — Бера . На практике обычно ИК-спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты ν (или длины волны λ) ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента пропускания; коэффициента поглощения; оптической плотности.