История открытия ИК-лучей

Инфракрасные лучи и их применение

 

Курсовая работа по общей физике

 

 

Студентки 311 группы

физического факультета

Смирновой Милены Владимировны

 

 

Научный руководитель:

канд. физ.-мат. наук, доцент, 

Януть Виктор Иосифович

 

Минск, 2006

 

Содержание:

 

Введение……………………………………………………………..3

Глава 1………………………………………………………………..5

1. История открытия ИК-лучей………………………………...5

2. Источники и приемники ИК-излучения…………………….11

3. Специфические свойства ИК-излучения……………………13

Глава 2. Применение ИК-лучей…………………………………….15

1. Инфракрасная спектроскопия………………………………..15

2. Инфракрасная фотография…………………………………..18

3. Инфракрасный нагрев………………………………………..23

4. Электроннооптический преобразователь…………………...24

5. Тепловизоры…………………………………………………..25

Заключение…………………………………………………………..33

Список литературы………………………………………………….35

 

Введение

 

Несмотря на исключительно широкий диапазон изученных к настоящему времени электромагнитных волн все они имеют общие свойства. Однако в проявлениях этих свойств у волн разной длины имеется и своя специфика.

С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение – это часть спектра излучения Солнца, которая непосредственно примыкает к красной части видимой области спектра и которая обладает способностью нагревать большинство предметов. Инфракрасное излучение занимает в спектре электромагнитных волн участок между красным концом спектра видимого излучения (λ=760 нм) и началом спектра миллиметровых волн коротковолнового радиодиапазона (λ=1-2 мм).

Человеческий глаз не в состоянии видеть в этой части спектра, но мы можем чувствовать тепло. Как известно, любой объект, чья температура превышает (– 273) градусов Цельсия излучает, а спектр его излучения определяется только его температурой и излучательной способностью. Инфракрасное излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) излучения и интенсивность.

Инфракрасные лучи были открыты в 1800 году английским физиком Уильямом Гершеле. Подразделяют три области инфракрасного излучения в зависимости от длины волны: ближняя (0,75—1,5 микрометров), средняя (1,5 – 5,6 мкм) и дальняя (5,6—100 мкм) (1 мкм=1/1000000 м).

 

 

 

Нагретые тела – главный источник ИК-излучения. Закон смещения Вина гласит: максимум излучения тела, нагретого до температуры Т К, падает на длину волны

                       λ = 2897/Т (мкм)

Получается, что максимум излучения человеческого тела приходится на длину волны λ = 9,37 мкм, а тающего льда на λ = 10,6 мкм.

Ученые разработали приборы, преобразующие инфракрасное излучение в видимый свет. С их помощью создана аппаратура ночного видения; можно снять карту температуры человеческого тела и по ней судить о здоровье человека. Спектры в инфракрасной области излучения помогают исследователям понять строение сложных органических молекул. Мощные потоки излучения инфракрасных ламп используются во многих технологических процессах.

Инфракрасное излучение широко используется в промышленности, научных исследованиях, медицине, в военной технике. А это делает необходимым более глубокое исследование природы инфракрасного излучения и его свойств.  В своей курсовой работе я рассматриваю специфические свойства электромагнитных волн данного диапазона и их применение в различных областях.

 

Глава 1

История открытия ИК-лучей

 

Видимый человеческим глазом оптический спектр является небольшой областью электромагнитного спектра излучений. Он ограничен, с одной стороны, коротковолновым ультрафиолетовым излучением, а с другой - длинноволновым инфракрасным (тепловым) излучением. За инфракрасным диапазоном спектра идет радиодиапазон электромагнитных волн.

Первым был изучен оптический (видимый) диапазон спектра. Это связано прежде всего с тем, что первым источником тепла и света, который знали люди древности, было Солнце. Зависимость человека от Солнца вынуждала вести за ним постоянные наблюдения, искать закономерности в его поведении. Именно по этой причине астрономия является древнейшей наукой. Первые таблицы солнечных и лунных затмений составлялись уже в 747 г. до н. э. Наряду с выяснением закономерностей движения Солнца, изучалась и сама природа солнечного излучения, света. У египтян, например, понятия "свет" и "солнце" были тождественны. Об этом говорят и древнеегипетские изображения солнца в виде диска с отходящими во все стороны лучами. Встречались у египтян (1350 г. до н. э.) и изображения солнца (Атона) в виде дисков с лучами, заканчивающимися пальцами. Древнегреческие ученые пытались доказать, что не Солнце испускает лучи, а наоборот: глаза испускают лучи. В качестве доказательств, приводились светящиеся по ночам глаза животных. Глаза слепца, по их мнению, не видят по той причине, что не испускают лучей. Особенно наглядно эта точка зрения отражена в произведении Платона "Тимей", где в частности говорилось: "Из органов, боги, прежде всего, устроили светоносные глаза которые и приладили с таким намерением: по их замыслу должно было возникнуть тело, которое не имело бы жгучих свойств огня, но доставляло короткий огонь, свойственный всякому дню. И боги сделали так, что родственный дневному свету огонь, находящийся внутри нас, вытекает очищенным через глаза, которые боги сгустили особенно посередине так, чтобы они задерживали грубейшую часть огня и пропускали только в чистом виде. И вот, когда дневной свет окружает поток зрения, тогда подобное, исходя к подобному, соединяется с ним и по прямому направлению зрачков образует в связи с родственным одно тело - где бы падающее изнутри не натолкнулось на то, что встречает его извне".

Теория и природа света на протяжении многих столетий была предметом изучения многих выдающихся деятелей. Только в XVII в. во взглядах на природу света появились две четко выраженные, подлинно научные теории: волновая и корпускулярная.

Видимым диапазоном электромагнитного спектра является только оптический диапазон. Как же были открыты другие, невидимые глазу, диапазоны спектра?

Инфракрасный диапазон электромагнитного спектра был обнаружен в 1800 г. английским астрономом В. Гершелем. Ученый проводил серию опытов, чтобы выяснить, какой нагревательной способностью обладают различные участки солнечного спектра (рис.1).

рис.1

 Он исследовал оптический спектр, спроецированный на стол с помощью призмы. Чтобы узнать, как ведут себя отдельные участки оптического спектра, он подносил к ним чувствительный ртутный термометр. Разные участки спектра по-разному нагревали термометр. Но как же был удивлен Гершель, когда нагрев термометра стал возрастать при перемещении термометра за красную границу оптического диапазона спектра. Ученый пришел к выводу, что существует излучение, не видимое глазом, но регистрируемое термометром. Это излучение он назвал инфракрасным или тепловым.

 

 

 

Рис. 2. Опыт В. Гершеля (1800 г.) в результате которого было открыто тепловое излучение.

 

Изучая, до какого предела распространяется инфракрасный диапазон спектра, ученые обнаружили, что этот диапазон переходит непосредственно в диапазон радиоволн. Единство природы световых, инфракрасных и радиоволн было доказано работами Дж. Максвелла (1861-1864 гг.), Г. Герца и П. Н. Лебедева (1896 г.)

Справа от оптического диапазона электромагнитных волн располагается ультрафиолетовый диапазон. Каждый из нас ощущает ультрафиолетовые лучи, загорая на солнце. Этот диапазон еще мало изучен.

За ультрафиолетовым диапазоном спектра (правее от него) идет рентгеновский диапазон.

Глаз человека не видит окружающие предметы в полной темноте или в условиях слабого освещения. Проблема "ночного видения" была решена только в XX в.

Открытие инфракрасного (теплового) излучения стало предпосылкой для создания приборов ночного видения. Основные его свойства были изучены в XIX в. В 19 в. было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с l ~ 80 мкм, т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

В это же время были созданы конструкции приемников теплового излучения, преобразующие падающее на них невидимое тепловое излучение в электрические сигналы. Такие приемники теплового излучения делал, например, итальянский физик М. Меллони в 40-х годах XIX в., и которые были использованы им в качестве приемника тепловых излучений и названы термоэлектрической батареей или термостолбиком. Такой прибор обладал значительной чувствительностью и в течение следующего полустолетия являлся наиболее широко применяемым приемником.

 

 

 

Рис. 3. М. Меллони с его установкой, регистрирующей инфракрасное (тепловое) излучение. Середина XIX века, Италия.

 

 

 

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.