Поглощение и рассеяние теплового излучения

 

Процесс переноса энергии теплового излучения сопровождается поглощением и рассеянием излучения.

При изучении процесса переноса энергии теплового излучения в пигментных красках можно рассматривать как поглощающие и рассеивающие излучение полидисперсные среды с сильно вытянутой вперед индикатрисой рассеяния с параметром дифракции в пределах 0,1  1000.

При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом изменяются температура, влагосодержание, структура и другие свойства облучаемого материала. Одновременно изменяются и основные характеристики излучения - объемная, угловая и поверхностная плотность энергии излучения, а также его поляризационные характеристики.

Под энергией теплового излучения (лучистой энергией) понимают энергию, переносимую электромагнитным излучением, которое испускается всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля. Такое излучение называют тепловым или температурным излучением.

Энергией интегрального излучения W(Дж) называют количество энергии, излучаемой (или переносимой) средой и приходящейся на конечный спектральный интервал . Полной энергией интегрального излучения называют всю излучаемую (или переносимую) средой энергию в диапазоне длин волн от 0 до

Поток излучения (полная мощность излучения) F(Вт) равен

 

, (2.6.1)

 

где F_λ - спектральный (монохроматический) поток излучения, Вт/мкм.

Сила излучения I (Вт/ср), вводимая для характеристики угловой плотности энергии,

 

. (2.6.2)

 

Здесь величина I_λ - спектральная плотность силы излучения, Вт/(ср•мкм)

Величина элементарного телесного угла в полярной системе отсчета (силы излучения определится с помощью элементарных азимутального dφ (0 ≤ φ ≤ 2π) и полярного dӨ (0 ≤ Ө ≤ π/2) углов:

 

. (2.6.3)

 

Схема определения энергетической и светотехнической величины силы излучения

 

Излучательность (энергетическая светимость) (Вт/м²), численно равная величине потока излучения, испускаемого единицей поверхности тела по всем направлениям,

 

, (2.6.4)

 

где R_λ - спектральная плотность потока излучения [Вт/(м²•мкм)], определяемая в случае абсолютно черного тела по формуле Планка:

 

. (2.6.5)

 

Интенсивность излучения - лучистость (энергетическая яркость)

В [Вт/(м^2. ср)], которая определяет удельную плотность потока теплового излучения в телесном угле dω в заданном направлении, задаваемом углом Ө к нормали  поверхности (рис. 2.6.2, а) в окрестности рассматриваемой точки,

 

. (2.6.6)

 

Здесь величина В_λ - спектральная интенсивность излучения, Вт/(м²• ср • мкм). Величина спектральной удельной плотности потока излучения - интенсивности В_λ испускаемого поверхностью, определяется для абсолютно черного тела с помощью функции Планка, при этом она связана с объемной плотностью энергии излучения U_λ и R_λ:

 

. (2.6.7)

 

Плотность потока энергии, переносимой в единицу времени через единицу поверхности в окрестности рассматриваемой точки внутри слоя среды

или падающей на единицу поверхности слоя (рис. 2.6.2, б), называется облученностью (энергетической освещенностью) Е (Вт/ м²)

 

, (2.6.8)

 

где Е_λ - спектральная облученность, Вт/(м²• мкм).

 

Схемы определения энергетических и светотехнических величин: а - лучистости - энергетической яркости; б - облученности; в-индактрисы рассеяния

 

Поглощение и рассеяние теплового излучения определяются рассеянием излучения на взвешенных частицах пигмента.

Рассеяние излучения на частицах включает в себя также комбинацию эффектов отражения, преломления и вторичного излучения частицей.

Пространственное распределение рассеянного излучения в общем случае сложным образом зависит от размеров, показателей преломления n_λ, и поглощения х_λ частиц вещества и среды и определяется индикатрисой рассеяния.

При взаимодействии излучения с крупными частицами, соизмеримыми с λ (длиной волны), в них возбуждаются сложные колебания, так как поле электромагнитной волны остаётся непостоянным в пределах одной частицы.

Параметр дифракции ρ, характеризующий их относительные размеры, изменяется в инфракрасной области спектра в пределах 0,1 ≤ ρ ≤ 1000. Поэтому форма индикатрисы рассеяния изменяется с длиной волны λ. По мере увеличения размеров частицы (ρ > 1) индикатриса рассеяния света вытягивается в направлении падающей световой волны.

Отношение доли потока излучения, рассеянной вперед, к доле потока, рассеянной назад, будет по порядку превышать 10²-10³, т.е. индикатриса рассеяния сильно вытянута вперед.

Функция рассеяния К(ρ) сложным образом зависит от параметра дифракции ρ, комплексного показателя преломления частиц т_λ = n_λ - ix_λ и от длины волны. C увеличением показателя поглощения x_λ функция К(ρ) приближается к плавной кривой и ее осцилляции становятся незаметными.

Зависимость К(ρ) для неоднородных частиц и двухслойных частиц рассчитана теоретически для простейшей модели сферической частицы с показателем преломления, изменяющимся от центра к периферий но определённому закону от 1,33 до 1,5. Установлено, что функция К(ρ) для неоднородных частиц заметно отличается от функций К(ρ) для частиц воды и однородных частиц (n = 1,5). Так как произвольный слой содержит множество частиц, то каждая частица будет освещаться не только первоначальным потоком, но и рассеянным от другой частицы излучением, т.е. в исследуемых материалах происходит вторичное и многократное рассеяние. Рассеянное излучение во всех направлениях, кроме направления распространения падающего излучения, всегда частично поляризовано.

 

Отражение света от частиц

Рассеяние на оптических неоднородностях среды представляет собой более сложное явление, чем обычное рассеяние излучения на частицах. Это рассеяние обусловлено комплексным развитием эффектов рассеяния, отражения, преломления и вторичного излучения как на границах раздела двух сред, так и на частицах.

 

Рассеяние света на оптических неоднородностях среды

 

Рассеивающими центрами (оптическими неоднородностями) оказываются коллоидные частицы и флуктуации плотности, которые хаотически расположены и вызывают не только рассеяние, но и изменение направления излучения на границе раздела двух сред - паровоздушной среды.

Коллоидные частицы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения видимой и ближней ИК - областях спектра. Вместе с тем благодаря тому, что все составные части имеют мало отличающиеся показатели преломления, в материалах рассеяние излучения происходит в основном на границах раздела частица - связующая среда. При толщине образца, большей 0,1 мм, в слое будет иметь место многократное рассеяние с кратностью свыше двух.

Наличие большого числа факторов, обусловливающих поглощение и рассеяние излучения, и их взаимное влияние друг на друга значительно затрудняют теоретический анализ, в связи с, чем в настоящее время более целесообразным является экспериментальное исследование процесса ослабления излучения в слое краски или пигмента.