Почему мы чувствуем тепло от инфракрасного света, а не от более коротких волн?

Короткий ответ: конечно, мы делаем.

Длинный ответ состоит из нескольких частей.

Поглощение

Различные длины волн имеют разные коэффициенты поглощения в одних и тех же материалах. Типичным примером является пластиковый пакет, прозрачный для видимого света, но непрозрачный для инфракрасного света. Это означает, что он в основном пропускает видимый свет (без поглощения, без нагрева), но улавливает инфракрасный свет (поглощение, нагрев).

Человеческое тело в основном прозрачно как для света очень высокой, так и для очень низкой частоты. Радио проходит насквозь, как и, например, рентгеновские лучи по большей части (не пытайтесь спрятаться от ядерного взрыва за другим человеком - не очень хорошая защита). Через ваше тело могут проходить киловатты радиоволн, и вы не заметите никакого нагрева, потому что ваше тело поглощает очень мало этих частот. Инфракрасное излучение очень важно, потому что оно легко поглощается водой, а в человеческом теле много воды. Тем не менее, видимый свет также легко поглощается человеческим телом — вы действительно чувствуете тепло видимого света (если вы когда-либо пытались сфокусировать линзу на листе бумаги — вы в основном делаете это с видимым светом; инфракрасный свет, конечно, имеет другую направленность). Однако в нормальных условиях

эмиссия

... большинство источников света вокруг нас довольно близки к излучателям черного тела. Возможно, вы знакомы с довольно характерной кривой, полученной из закона Планка для испускания фотонов черным телом. Теперь сравните площадь под кривой в ИК-области с площадью в видимой или УФ-области - для низкотемпературных источников (простых ламп накаливания) ИК полностью доминирует, и даже для солнечного света видно, что даже без учета всех капризность атмосферы и т. д., мы получаем гораздо больше инфракрасного света, чем видимого. В то время как энергия одного фотона УФ-света намного выше, чем у видимого света, общее количество энергии, переносимой всеми фотонами, намного меньше, и большая часть УФ-излучения в любом случае поглощается атмосферой.

Фактически, даже современные высокоэффективные лампочки по-прежнему имеют тенденцию излучать больше инфракрасного света, чем видимого; источники света с КПД выше 50% встречаются довольно редко. Приличная светодиодная лампочка может иметь эффективность около 20%, что означает, что на каждый ватт света она излучает четыре ватта тепла (либо прямое ИК-излучение, либо каскадное излучение через окружающую среду).

ИК везде

Ощущение тепла на коже — это относительно простой вопрос сравнения двух температур — температуры верхней части кожи и температуры нижней части кожи. Если верхняя кожа более горячая, мы чувствуем тепло, если более холодная, мы чувствуем холод.

Все объекты излучают ИК-свет. Все они - и пропорционально их температуре. Вот почему ИК-излучение обычно ассоциируется с теплом — в комнате вокруг вас горячо от ИК-излучения, компьютер под вашим столом горяч от ИК-излучения, вы горячи от ИК-излучения. Вот что заставляет работать пассивное тепловое зрение — разные объекты имеют разную температуру и разную излучательную способность, что выделяет их на фоне ИК-датчика.

О каком количестве тепла идет речь? Давайте сравним с Солнцем, просто для удовольствия. Солнечный свет дает около 1100 Вт на квадратный метр на уровне земли (есть много разных средних значений - это в основном значение в полдень на экваторе со средней облачностью). Из них около 55% приходится на инфракрасный свет, а около 42% — на видимый (видите? Даже после того, как столько ИК-излучения поглощается атмосферой, оно по-прежнему доминирует на уровне земли :)). Итак, допустим, вы получаете около 500 Вт ИК-тепла на уровне поверхности на квадратный метр. Не то, чтобы чихнуть на, конечно. Впрочем, скажем по-человечески.

Возьмите голого человека и разверните его к солнцу. Площадь поверхности человека в среднем составляет около двух квадратных метров, и половина этой площади обращена в сторону от Солнца, поэтому в погожий день вы можете поглотить до 500 Вт инфракрасного света. Для наших целей достаточно близко :) Но надо учитывать еще кое-что - человеческое тело тоже является ИК-излучателем, причем довольно хорошим. Сколько энергии излучает обычный человек в состоянии покоя? Около 1000 Вт. Да - почти весь падающий солнечный свет в самое освещенное солнцем место на Земле в полдень. Так почему же нам все-таки тепло?

Потому что солнечный свет — не единственный источник радиации на Земле. Люди излучают огромное количество энергии, это правда, но и наше окружение тоже. Если вы закроетесь в темной комнате при комнатной температуре, вы получите около 900 Вт обратно. Таким образом, ваши чистые потери на излучение составляют всего 100 Вт, а не 1000 Вт. И так получилось, что средние тепловые потери человеческого тела в режиме простоя составляют около 100 Вт, поэтому в помещении с температурой 25°C без прямого солнечного света вы чувствуете себя комфортно — это более или менее идеальный баланс между неэффективностью человеческого метаболизма и разницей температур между человеческим телом и комнатой. Конечно, это сильно меняется в зависимости от одежды и других факторов. Добавьте лампочку на 100 Вт, и вам станет тепло :)

ИК-фотоны имеют очень низкую энергию.

Теперь это может показаться нелогичным, и это потому, что это в основном нацелено на человеческое мышление, а не на реальность. Но для полноты: инфракрасный свет оказывает незначительное воздействие, кроме нагревания. Его энергии недостаточно, чтобы воздействовать на атомы или химические связи. Единственное, что он хорошо отображает, — это случайные движения атомов и молекул, которые в сумме дают то, что мы называем теплом.

С другой стороны, если вы возьмете что-то вроде видимого света, помимо вибраций вы также получите химические изменения — электроны перейдут в возбужденное состояние, изменятся (относительно слабые) химические связи; на самом деле именно поэтому мы видим именно видимый свет — он более или менее находится в зоне наилучшего восприятия «достаточно сильным, чтобы возбудить электроны, но достаточно слабым, чтобы не разрушить фоторецепторы и их белки» (животные, чувствительные к ИК-излучению, используют другой механизм, чем электрохимия). Ультрафиолетовый свет может легко поглощаться, но он достаточно силен, чтобы разорвать даже довольно прочные химические связи, что приводит к существенным повреждениям — например, так ультрафиолетовый свет разрушает ДНК в ваших клетках (хотя, опять же, есть животные, которые имеют УФ-чувство — так делают многие насекомые).

Итак, в человеческом разуме существует странная предвзятость — вы видите все эти разные виды света, и все они обладают интересными свойствами... кроме ИК-излучения. Он просто греет, и не более того. Перейдите к еще более глубокому ИК-излучению (например, микроволнам или радиоволнам), и вы получите другое интересное поведение — и намного меньше прямого нагрева, поскольку они менее легко поглощаются.

Вывод

Мы больше всего заботимся об инфракрасном излучении с точки зрения тепла просто потому, что его так много повсюду, и большинство источников видимого света также включают в себя большее количество инфракрасного света. Однако возьмите источник чистого видимого света достаточной мощности (скажем, холодную мощную светодиодную лампу) и направьте его на себя, и вы почувствуете тепло. Мы используем много мощных лазеров видимого света, и очевидно, что они довольно хорошо нагревают предметы.

Типичная фотогальваническая солнечная панель получает большую часть своей энергии от видимого света, как и фотосинтезирующие растения (хотя некоторым растениям также требуется УФ-свет, на самом деле это скорее катализатор, а не основной источник энергии; подумайте, насколько хорошо ваш дом растение чувствует себя хорошо, несмотря на отсутствие ультрафиолетового излучения). Вам нужен градиент энергии , чтобы выполнять полезную работу, и это делает видимый свет намного более интересным, чем инфракрасный, для большинства растений — взгляните на инфракрасную фотографию деревьев или растений; есть вполне приличный шанс, что их листья на самом деле отражают падающий ИК-свет, а не поглощают его, просто потому, что это в основном пустая трата тепла, которая вам не нужна. Тем не менее, есть фотосинтезирующие организмы, которые работают с ИК, красным или синим светом, в зависимости от их ниши.

Вероятно, это связано с законом излучения Планка и законом смещения Вина , определяющими длину волны максимального излучения энергии, которые показывают, что для температур обычных очень горячих тел порядка (пары)$1000K$, энергия излучения, испускаемого в инфракрасном/видимом ($\lambda>380 nm$) намного больше, чем в ультрафиолетовой области ($\lambda<380 nm$).

Мы делаем. Вот два способа продемонстрировать это.

Во-первых, рекомендуемый способ: возьмите действительно яркий белый светодиод (например, велосипедный фонарь на 1200 люмен) и посмотрите на спектр либо в таблице данных, либо с помощью спектрометра. Если вы не доверяете этому, поставьте перед ним какое-нибудь стекло, блокирующее ИК-излучение (например, KG1). Поместите руку в луч. Вы почувствуете тепло, особенно на улице холодной ночью. Вариант состоит в том, чтобы получить чрезвычайно яркий одноцветный светодиод видимого диапазона. В наши дни (дополнение 2020 г.) мощные светодиоды могут давать несколько ватт в очень небольшом видимом диапазоне длин волн, поэтому вы можете легко почувствовать тепло от (например, синего света).

Теперь нерекомендуемый способ: поместите руку в луч видимого лазера мощностью не менее 50 мВт (больше, если луч широкий). 120 мВт на длине волны 532 нм (зеленый) в точку размером менее миллиметра на тыльной стороне ладони дает сильный укус. С такой мощностью вы должны носить очки, но тогда вы не можете видеть луч и можете случайно попасть в него рукой при выравнивании. Но не пытайтесь повторить это дома.

Я публикую это в ответ на ответ, опубликованный Quantumwhisp, который объясняет более высокий нагрев тела инфракрасным светом (ИК) по сравнению с видимым / ультрафиолетовым (УФ) светом увеличением коэффициента поглощения света в воде с увеличением длины волны .$\lambda$от УФ до видимого и ИК света (см. график в цитируемом ответе). На мой взгляд, это неправильно (см. мой комментарий к цитируемому ответу). Чтобы сравнить эффект нагрева падающего света в разных областях длины волны, вы должны знать, сколько энергии падающего света поглощается кожей человека . Я нашел научную статью, в которой сообщалось о таких измерениях относительного поглощения энергии света кожей разных мужчин и женщин в диапазоне длин волн от УФ ($\lambda=200nm$) до ближнего ИК ($\lambda=1000nm$) ( Penjweini et al. 2013 ), который показывает уменьшение поглощения света с длиной волны в этой области. Пример этого уменьшения относительного поглощения света с$\lambda$(кожа самца) видно на графике . Это показывает, что поглощение энергии падающего света кожей уменьшается с увеличением длины волны от УФ до видимого и ближнего ИК света, а не увеличивается, как предполагает коэффициент поглощения воды. Это подтверждает мое более раннее объяснение, что более сильный нагрев, воспринимаемый ИК-излучением, вероятно, связан со спектром излучения энергии горячих тел, который подобен планковскому спектру излучения черного тела.

Если я правильно понимаю ваш вопрос, вы можете спутать два разных, но связанных понятия, а именно температуру и тепло. Когда я говорю, что чувствую «тепло», я смешиваю понятия температуры и тепла. В веществе есть молекулярное движение, чем больше молекулярное движение, тем выше температура. Но это не то же самое, что теплота (в физическом смысле). Теплота — это самопроизвольная передача энергии от одной системы к другой, которая не может быть объяснена работой, совершаемой системой или над ней.$\textit{The way}$в котором осуществляется эта передача, в нашем обычном опыте проявляется через излучение. Таким образом, на практике у нас может быть действительно горячий материал (молекулы с высокой кинетической энергией), часть этой энергии затем может быть высвобождена в оптическом или инфракрасном спектре.

Солнце испускает некоторые ультрафиолетовые лучи, и хотя они могут быть опасны для кожи, раскаленный докрасна утюг является предпочтительным методом мучителя-садиста. Боль, которую я чувствую от раскаленного докрасна железа, может быть предзнаменована красным оттенком, но боль, которую я чувствую, является результатом молекулярного движения молекул и атомов в железе, которые передают свою механическую энергию атомам на моей коже.