Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ИН)"

Инфракрасное излучение

Инфракра'сное излуче'ние, ИК излучение, инфракрасные лучи, электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны l = 0,74 мкм ) и коротковолновым радиоизлучением (l ~ 1—2 мм ). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (l от 0,74 до 2,5 мкм ), среднюю (2,5—50 мкм ) и далёкую (50—2000 мкм ).

  И. и. было открыто в 1800 английским учёным В. Гершелем, который обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается (рис. 1 ). В 19 в. было доказано, что И. и. 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 И. и. и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

  Спектр И. и., так же как и спектр видимого и ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника И. и. Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Например, при электрическом разряде пары ртути испускают ряд узких линий в интервале 1,014—2,326 мкм ; атомы водорода – ряд линий в интервале 0,95—7,40 мкм . Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями (см. Молекулярные спектры ). Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные – в далекой инфракрасной области. Так, например, в спектре излучения газового пламени наблюдается полоса около 2,7 мкм , испускаемая молекулами воды, и полосы с l » 2,7 мкм и l » 4,2 мкм , испускаемые молекулами углекислого газа. Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) – белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия И. и.

  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 l > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для l > 1,8 мкм , кремний для l > 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 l > 100 мкм . У большинства металлов отражательная способность для И. и. значительно больше, чем для видимого света, и возрастает с увеличением длины волны И. и. (см. Металлооптика ). Например, коэффициент отражения Al, Au, Ag, Cu при l = 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. (рис. 2 ). 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.

  Источники И. и. 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 И. и. (рис. 3 ). 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 l = 1,2 мкм ), и потому в И. и. могут быть получены фотографии.

  Применение И. и. И. и. находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. 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 (см. Инфракрасная спектроскопия ).

  Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и И. и. фотография, полученная в И. и., обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией. Например, на инфракрасных снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии (см. ст. Инфракрасная фотография ).

  В промышленности И. и. применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении (см. Инфракрасный нагрев ), а также для обнаружения скрытых дефектов изделий (см. Дефектоскопия ).

  На основе фотокатодов, чувствительных к И. и. (для l < 1,3 мкм ), созданы специальные приборы – электроннооптические преобразователи , в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов И. и. от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Создание высокочувствительных приёмников И. и. позволило построить специальные приборы – теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому И. и. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник И. и., расположенные в головной части ракеты, принимают И. и. от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное И. и. самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.

  Оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области, используются также для наземной и космической связи.

  Лит.: Леконт Ж., Инфракрасное излучение, пер. с франц., М., 1958; Дерибере М., Практические применения инфракрасных лучей, пер. с франц., М.—Л., 1959; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, М., 1967; Соловьев С. М., Инфракрасная фотография, М., 1960; Лебедев П. Д., Сушка инфракрасными лучами, М.—Л., 1955.

  В. И. Малышев.

Рис. 1. Опыт В. Гершеля. Термометр, помещенный за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами, расположенными сбоку.

Рис. 3. 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.

Рис. 2. 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 l = 0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74 мкм принадлежат пара'м воды; при l = 2,7 и 4,26 мкм – углекислому газу и при l » 9,5 мкм – озону.