Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

Непрерывные спектры испускаются разогретыми жидкостями пли твердыми телами. При больших давлениях этот спектр мо­ жет создаваться излучением газообразных атомов и молекул. Непрерывный спектр состоит из бесконечного числа спектраль­ ных линий, непрерывно следующих одна за другой.

Линейчатые спектры испускаются раскаленными газами и парами. Такой спектр излучается возбужденными атомами или их ионами, которые находятся на таком расстоянии между собой, что их излучения можно считать независимыми.

Полосовые спектры испускаются многоатомными молекулами нагретых газов и паров, температура которых еще не достаточна для того, чтобы все молекулы были диссоциированы на атомы или ионы.

Смешанные спектры получаются в результате сложения не­ скольких различных спектров.

Инфракрасное излучение могут давать газы, пары, жидкие и твердые тела. Это излучение возникает при вращательных и ко­ лебательных движениях молекул. Так как подобное движение происходит, как известно, при нагревании, то любое тело, имею­ щее температуру выше абсолютного нуля (—273° С), может яв­ ляться источником инфракрасного излучения.

При нагреве возможен переход электронов внешней орбиты атомов с одного энергетического уровня на другой. Такой пере­ ход сопровождается излучением энергии. Атомарные спектры излучения имеют линейчатый характер и находятся в коротко­ волновой инфракрасной области (0,75—2,5 мкм).

Молекулярные спектры излучения являются полосовыми и за­ нимают широкую инфракрасную область от единиц до сотен микрон.

Инфракрасное излучение испускается определенными порци­ ями энергии, величина которой зависит от длины волны излуче­ ния. Минимальная для данной длины волны порция энергии вф была названа М. Планком квантом энергии

где h = 6,624-10-34 Вт-с2 — постоянная Планка.

По квантовой теории излучения М. Планка, развитой впос­ ледствии А. Эйнштейном, излучение рассматривается как поток материальных частиц — фотонов, с энергией hv и массой

Таким образом, инфракрасное излучение обладает как вол­ новыми, так и корпускулярными свойствами. Из формулы (1.4) видно, что энергия фотонов зависит от частоты (длины волны) излучения. Для излучения малых частот (длинноволновое ин­

9

фракрасное излучение) энергия фотонов настолько мала, что пре­ рывистую корпускулярную (corpusculum — мельчайшая частица) структуру этого излучения обнаружить трудно, практически про­ являются лишь волновые свойства излучения. Для видимого из­ лучения энергия фотонов возрастает и начинают проявляться волновые и корпускулярные свойства излучения; в рентгеновских лучах корпускулярные свойства наблюдаются уже довольно легко.

По формуле (1.4) можно подсчитать энергию фотонов для различного вида излучений. Так, для инфракрасных лучей с дли­ ной волны Л.= 10 мкм энергия еф^2-10-20 Дж, для видимого из­ лучения с А.=0,5 мкм энергия еф~4-10-19 Дж и для рентгенов­ ских лучей с Л, = 0,1 А энергия еф~2-1(Н 4 Дж.

§ 1.2. ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ .

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Лучистой энергией W называется энергия излучения как ви­ димых, так и невидимых лучей. Определенному количеству лучи­ стой энергии соответствуют определенные количества других ви­ дов энергии. В соответствии с этим лучистую энергию можно измерять в любых единицах, в которых измеряют различные ви­ ды энергии, например, в джоулях, эргах, или калориях.

Лучистую энергию, переносимую в единицу времени, называ­ ют лучистым потоком Ф. Если за время t излучается лучистая энергия W, то лучистый поток

Так как энергия, затрачиваемая или переносимая в единицу времени, определяет мощность, то лучистый поток измеряют в единицах мощности.

Связь между основными единицами измерения мощности лу­ чистого потока показана в табл. 1.2.

Для источников излучения с непрерывным спектром суммар­ ный лучистый поток определяется площадью, заключенной меж­ ду спектральной кривой излучения и осью абсцисс:

где Фх — функция распределения энергии по длинам волн, зави­ сящая от природы излучающего тела и тех условий, при которых происходит излучение.

Так, например, для частного случая излучения, характеризу­ емого функцией Ф>.=[(Х), показанной на рис. 1.4, лучистый по­ ток в интервале длин волн от до Х2 равен площади заштрпхо-

10

Это определение справедливо только в случае точечного источ­ ника излучения и равномерного распределения излучения внут­ ри телесного угла (рис. 1.5) *. Телесный угол со равен отноше­ нию площади поверхности S, вырезанной на сфере конусом с вершиной в центре сферы, к квадрату радиуса сферы г:

( 1 - 9 >

Телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса этой сферы, принят за единицу измерения телесного угла и называет­ ся стерадианом. Телесный угол со связан с плоским углом а со­ отношением

Телесный угол, охватывающий все пространство вокруг то­ чечного источника излучения, равен 4л. Поэтому для источника, равномерно излучающего во все стороны, сила излучения в лю­ бом направлении будет

4я

Сила излучения измеряется в Вт/ср (эрг/(с-ср) и кал/(с-ср). Плотность излучения RT — это лучистый поток с единицы из­

лучающей поверхности, сосредоточенный внутри телесного угла 2л. Если площадка 5 излучает лучистый поток Ф во всех на­ правлениях внутри телесного угла 2л, то плотность излучения

Плотность излучения измеряется обычно в Вт/см2.

Лучистость (энергетическая яркость) В — это сила излуче­ ния с единицы излучающей поверхности в заданном направ­ лении.

Пусть малая площадка 5 создает силу излучения в направ­ лении, составляющем угол а с перпендикуляром к площадке (рис. 1.6). Если смотреть в этом направлении, то площадка бу­

* При достаточно большом расстоянии от источника излучения его мож­ но всегда считать точечным и определять поток, излучаемый внутри конуса с вершиной в этом источнике.

12

т. е. лучистость равна силе излучения, отнесенной к единице видимой поверхности источника излучения. Лучистость измеря­ ется в Вт/ (ср-см2) .

Облученность Е, или плотность облучения поверхности, рав­ на отношению лучистого потока к площади облучаемой поверх­

Для точечного источника, т. е. для источника, находящегося на достаточном удалении, легко вывести зависимость между об­ лученностью и силой излучения. Пусть на площадку S, располо-

Формула (1.15) выражает закон квадратов расстояний, по которому облученность поверхности, создаваемая точечным ис­ точником, прямо пропорциональна силе излучения и косинусу угла падения лучистого потока и обратно пропорциональна квад­ рату расстояния между источником и облучаемой поверхно­ стью.

Облученность измеряется в Вт/см2 (эрг/(с-см2) и кал/(с-см2)). Количество облучения Н определяет облученность поверхно­

сти за определенное время

13