Солнечный луч

Существование невидимых лучей за красной границей видимого спектра открыл в 1800 г. английский физик Вильям Гершель. Многие ученые сразу же заинтересовались природой этих лучей (названных впоследствии инфракрасными), их способностью нагревать различные тела. В 1835 г. французский физик Ампер высказал очень смелую по тем временам мысль о единстве природы тепловых и световых лучей. Дальнейшие исследования инфракрасных лучей показали, что они, как и лучи видимого света, возникают в нагретых телах и подчиняются одним и тем же законам отражения, преломления, рассеяния. Если видимые лучи охватывают область от 4000 до 7600 А, то область инфракрасного излучения простирается от длинноволновой границы видимого спектра до области радиоволн. При этом области радиоизлучения и инфракрасного света как бы заходят одна за другую.

Радиоволны отличаются от оптических видов излучения прежде всего не длиной волны, а способом возникновения. Если видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи возникают главным образом при нагреве твердых, жидких и газообразных веществ, то радиоволны генерируются при колебательном разряде между двумя наэлектризованными проводниками. Существует обширная промежуточная область спектра, лучи которой в зависимости от способа их возникновения относятся либо к инфракрасной области, либо к радиоволнам. Советские физики А. Глаголева-Аркадьева и М. Левитская получили радиоволны длиной 125, 70 мк и короче. Немецкие физики Г. Рубенс и О. Бейер в спектре излучения паров ртути обнаружили лучи с длиной волны 340 мк. Учитывая способ возникновения, эти лучи отнесли к инфракрасному диапазону. Ё спектре солнечного излучения на долю инфракрасных лучей приходится больше 50% общей энергии, а в спектре обычных ламп накаливания — около 95 %; максимум излучения приблизительно соответствует 1,2 мк. С уменьшением температуры светящегося тела максимум излучения становится более длинноволновым; доля видимого света в излучении уменьшается. При этом резко снижается и суммарная энергия излучения. Например, при температуре черного тела 1550°С максимум излучения приходится на 1,7 мк; с переходом к максимуму в области 10 мк общая интенсивность излучения падает в 70 раз, а у волн длиной 18 мк — в 700 раз. Практически для получения мощного потока инфракрасного излучения пользуются источниками, температура которых достаточно высока (выше 1500°С); ненужный видимый свет отфильтровывают.

Фотоны инфракрасного света, естественно, по размерам меньше фотонов видимого света. Они соответствуют электронным переходам между высшими энергетическими уровнями. Так, первая инфракрасная серия в спектре водорода характеризует переход электронов с высших уровней на третий энергетический уровень. Инфракрасные линии спектра, соответствующие излучению отдельных атомов, имеют сравнительно небольшую длину волны и лежат недалеко от красной границы видимого спектра, в так называемой близкой инфракрасной области.

Инфракрасное излучение молекул обусловлено изменением колебательного состояния отдельных атомов и групп атомов, а также сдвигами во вращении молекулы. Кванты колебательной энергии молекул сравнительно велики — их энергия на порядок (примерно в 10 раз) меньше энергии фотонов видимого света; соответствующие линии излучения лежат в той же близкой инфракрасной области. Кванты энергии вращения молекул еще на порядок меньше. Поэтому изменение вращательной энергии молекул сопровождается излучением в далекой инфракрасной области.

Обширный диапазон инфракрасных лучей разделяется на три области: ближние лучи — от видимого света примерно до длины волны 3 мк, которые выделяются с помощью призм из кварцевого стекла; средние — с длиной волны от 3 до 16 мк, которые выделяются с помощью призм из каменной соли; дальние — с длиной волны больше 16 мк. Инфракрасные лучи, проникающие в ткани на глубину в несколько миллиметров, лежат в наиболее коротковолновой области, от видимого света до лучей длиной 1,5 мк (рис. 19). Лучи с более длинными волнами обладают только поверхностным действием.

Рис. 19. Проникающая способность видимого и инфракрасного излучений по отношению к коже человека (поглощение в %)

Непрерывный спектр инфракрасных лучей дают лампы накаливания и электронагревательные приборы. Линейчатый спектр излучают пары металлов, нагретые газы, электрические разряды в газе и некоторые твердые тела. Пары ртути, широко применяемые для получения ультрафиолетовых лучей, высвечивают ряд интенсивных линий и в инфракрасной области — 7730, 9260, 10 140, 13 000 А, 4 и 5,5 мк. Газоразрядные трубки, наполненные неоном, дают многочисленные линии вблизи видимой области спектра. Цезиевая лампа отдает 25% своего света в виде линий длиной 8521 и 9844 А. Натриевая газосветная лампа излучает двойную линию 8183—8194 А. Многие соединения кислорода и кремния дают при нагреве инфракрасные полосы излучения на слабом непрерывном фоне. Их используют в специальных горелках.