Инфракрасное излучение
Что это
Энергия, которая распространяется как электромагнитная волна
Нужна ли среда?
Нет: проходит через вакуум
Пример, который их различает: пульт излучает инфракрасные лучи, но на ощупь не горячий
Что нужно принести
- Из предыдущих уроков ничего приносить не нужно.
Этот урок открывает модуль об излучении. Мы будем пользоваться одной новой идеей: длиной волны — расстоянием между двумя гребнями волны (NASA Science, Anatomy of an Electromagnetic Wave).
Объяснение
Читать объяснение
Три опыта с тем, чего не видно
| Опыт | Что ты замечаешь | Какое излучение участвует |
|---|---|---|
| День на пляже без солнцезащитного крема | Через несколько часов — солнечный ожог | Ультрафиолет (UVB) |
| Смотришь на красный и на синий предмет | Разные цвета | Видимый свет |
| Нажимаешь кнопку пульта от телевизора | Невооружённым глазом ничего, но телевизор переключает канал | Инфракрасное излучение, около 940 нм |
Источники: ВОЗ, Radiation: Ultraviolet (UV) (UVB и ожог); NASA Science, Infrared Waves (пульт на 940 нм).
Все три — явления одного рода: электромагнитное излучение, энергия, которая распространяется как волна и которой не нужна среда, поэтому она может проходить через пустое пространство (NASA Science, Anatomy of an Electromagnetic Wave). Различает их длина волны.
Шкала спектра
Если расположить излучения от большей длины волны к меньшей, энергия меняется в обратную сторону: «энергия растёт по мере того, как длина волны укорачивается» (NASA). В символах, где $\lambda$ (лямбда) — длина волны, а $E$ — энергия:
$$\lambda \text{ короче} \;\Longrightarrow\; E \text{ больше}$$
Единицы меняются в зависимости от области, потому что длины волн бывают от километров до долей нанометра:
$$1\ \mathrm{m} = 10^{6}\ \mu\mathrm{m} = 10^{9}\ \mathrm{nm}$$
Области по порядку
| Область | Длина волны | Энергия по сравнению с видимым светом | Пример из жизни | Что оно делает с веществом |
|---|---|---|---|---|
| Радиоволны | от $1\ \mathrm{cm}$ до $1\ \mathrm{km}$ | Намного меньше | Радио | — |
| Микроволны | граница не указана; печь использует около $12\ \mathrm{cm}$ | Меньше | Микроволновая печь | Заставляют вращаться молекулы воды и жира, и еда нагревается |
| Инфракрасное | от $1$ до $100\ \mu\mathrm{m}$ (Земля излучает от $8$ до $15\ \mu\mathrm{m}$) | Меньше | Пульт; обогреватель | При поглощении частично ощущается как тепло |
| Видимое | от $380$ до $700\ \mathrm{nm}$ | — | Цвета | Его воспринимает глаз |
| Ультрафиолет | от $100$ до $400\ \mathrm{nm}$ | Больше | Солнечный ожог | Может повреждать ДНК и обжигать кожу |
| Рентгеновское | от $0{,}03$ до $3\ \mathrm{nm}$ | Намного больше | Рентгеновский снимок | Проходят через кожу; кости поглощают их сильнее |
| Гамма-излучение | самые короткие (в источнике числа нет) | Самая большая из всех | Радиоактивный распад | — |
Две детали, на которые стоит обратить внимание, потому что источники не полностью совпадают:
- Между $380$ и $400\ \mathrm{nm}$ NASA говорит о видимом свете, а ВОЗ — об ультрафиолете: границы между областями — не точные разрезы.
- Пульт излучает на $940\ \mathrm{nm}$, что NASA называет инфракрасным излучением, хотя диапазон инфракрасного у NASA Imagine начинается с $1\ \mu\mathrm{m} = 1000\ \mathrm{nm}$.
Излучение — это не тепло
Многие говорят: «инфракрасное — это тепло». Это две разные вещи:
Теплота
Что это
Энергия, которая передаётся от одного тела к другому, у которого температура ниже
Нужна ли среда?
Зависит от способа передачи
Пример, который их различает: прикоснувшись к горячей кастрюле, ты получаешь тепло через контакт
Тело может излучать инфракрасные лучи и не быть горячим на ощупь: ты сам излучаешь инфракрасное излучение (NASA Science, Infrared Waves). И ощущать тепло — не то же самое, что получать инфракрасное излучение: часть поглощённого тобой инфракрасного излучения ощущается как тепло, но тепло приходит и через контакт. Инфракрасное излучение — это способ переноса энергии; теплота — это передача энергии между телами с разной температурой.
Ультрафиолет и инфракрасное — не одно и то же
Оба невидимы, но находятся по разные стороны от видимой области. Озон и другие газы атмосферы поглощают весь UVC и большую часть UVB (ВОЗ). Это никак не связано с инфракрасным излучением Земли, которое разбирается на уроках 7 и 6. Запомни это различие: «озоновая дыра» и «парниковый эффект» говорят о двух разных излучениях.
Исследование
Прежде чем трогать: ультрафиолет на ползунке находится слева или справа от видимой области? Запиши и проверь.
Источники симулятора: NASA Imagine the Universe, The Electromagnetic Spectrum; NASA Science, Visible Light, Infrared Waves, Microwaves, X-rays и Gamma Rays; ВОЗ, Radiation: Ultraviolet (UV). Заштрихованные зоны — границы, которые источники не указывают.
В завершение: найди 940 нм пульта. Почему симулятор предупреждает, что граница там не указана?
Анимация
Описание анимации
Видимый свет, радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение — не разные вещи. Всё это электромагнитное излучение, и различаются они только длиной одного цикла волны.
Если поместить длинную волну сверху, а короткую снизу, обе распространяются с одной и той же скоростью — скоростью света. Меняется длина волны. И главное правило такое: чем короче волна, тем больше энергии она несёт.
От самой длинной к самой короткой полосы идут так: радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Чем дальше вправо, тем короче волна и тем больше энергия.
Посмотри, где находится видимая область: это узкая полоса, зажатая между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением. Всё, что по сторонам, — тоже излучение; просто наши глаза его не воспринимают.
Этой шкалой мы будем пользоваться весь модуль, потому что парниковый эффект зависит именно от разницы между двумя полосами: Солнце посылает нам в основном видимое излучение, а Земля отдаёт в основном инфракрасное.
Источники анимации: NASA Science, Introduction to the Electromagnetic Spectrum. Схема, не в реальном масштабе: полосы нарисованы одинаковой ширины, хотя реальный диапазон охватывает пятнадцать порядков величины.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Этот урок
Электромагнитный спектр
Пройди по спектру с помощью ползунка — от ультрафиолета до микроволн.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и свет (PhET)
Направляй разное излучение на молекулы воздуха и смотри, какие его поглощают.
Открыть симулятор →
Урок 8
Молекулы и излучение
Симулятор проф. Федерико Гарбери: молекулы воздуха, четыре вида излучения и задание.
Открыть симулятор →
Листы для скачивания (на испанском)
Электромагнитный спектр
Излучение — это не тепло
Задания
1. От числа к эффекту
Для каждой длины волны укажи, к какой области она относится, какой наблюдаемый эффект вызывает и почему. Используй таблицу областей.
- $\lambda = 300\ \mathrm{nm}$
- $\lambda = 550\ \mathrm{nm}$
- $\lambda = 10\ \mu\mathrm{m}$
- $\lambda = 1\ \mathrm{nm}$
2. Два разных невидимых излучения
Утверждение, которое нужно защитить: ультрафиолетовое и инфракрасное излучение не вызывают одинакового вреда и одинакового эффекта, хотя оба невидимы.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…