Почему только инфракрасные лучи классифицируются как «тепловые лучи»?

Инфракрасный диапазон — это часть электромагнитного спектра , которая в основном отвечает за радиационную теплопередачу в нашей повседневной жизни. Это выражается в том, что пик планковского распределения при комнатной температуре лежит в инфракрасном диапазоне:

Планковское излучение имеет максимальную интенсивность на длине волны, зависящей от температуры тела. Например, при комнатной температуре (~300 К) тело излучает тепловое излучение, в основном инфракрасное и невидимое. При более высоких температурах количество инфракрасного излучения увеличивается и может ощущаться как тепло, и излучается больше видимого излучения, поэтому тело светится заметно красным. При более высоких температурах тело становится ярко-желтым или сине-белым и излучает значительное количество коротковолнового излучения, включая ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение. Поверхность Солнца (~ 6000 К) излучает большое количество как инфракрасного, так и ультрафиолетового излучения; пик его излучения приходится на видимый спектр.

Электромагнитные волны с частотами чуть выше инфракрасных относятся к видимому свету. Поэтому, хотя они и несут тепло, но в основном отождествляются с информацией, которую мы получаем через глаза.

Электромагнитные волны более низкой частоты в радиоспектре менее энергичны и, следовательно, менее важны.

Уточнение
В термодинамике/статистической механике тепло – это энергия, передаваемая от одной системы к другой на микроскопическом уровне (в отличие от работы , которая возникает из-за макроскопических изменений). В этом случае объект находится в контакте с излучением. Тепловые лучи — это не физический термин, их не следует буквально интерпретировать как «лучи, несущие тепло». Но причина, по которой мы используем этот термин для описания инфракрасного излучения, указана выше.

Комментарий к закону сохранения энергии.
Поглощенная энергия излучения зависит не только от энергии фотонов данной частоты,$h\nu$, но и от количества фотонов,$n_\nu$, т. е. поглощенная энергия на данной частоте равна

Разве не все длины волн электромагнитного излучения несут энергию?

Да. И эта фотонная энергия$E$дан кем-то

Где$h$= постоянная Планка и$\nu$= частота.

Но не все частоты одинаково взаимодействуют с материей.

Судя по тому, насколько высоко проникающие гамма-лучи и опасны при поглощении тканями

Очень небольшая часть энергии гамма-лучей поглощается тканью, т. е. ткань в основном прозрачна для гамма-лучей. Они могут даже пройти через несколько дюймов свинца. Но когда они проходят через ткани человека, их энергия, которая поглощается, может вызвать ионизацию, которая повреждает ткани и ДНК. По этой причине его называют ионизирующим излучением.

... излучение с более низкими длинами волн должно нести больше энергии и должно иметь возможность увеличивать внутреннюю энергию объекта, который его поглотил, намного больше, чем инфракрасные лучи.

Да, но количество энергии, которое фактически поглощается, зависит от частоты. Согласно веб-сайту гиперфизики ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html ) относительно взаимодействия излучения с веществом:

«По мере того, как вы поднимаетесь по частоте от инфракрасного к видимому свету, вы поглощаете (энергию) все сильнее и сильнее. В нижнем ультрафиолетовом диапазоне все ультрафиолетовое излучение солнца поглощается тонким внешним слоем вашей кожи. Когда вы двигаетесь продвигаясь дальше в рентгеновскую область спектра, вы снова становитесь прозрачными, потому что большая часть механизмов поглощения исчезает. Тогда вы поглощаете лишь небольшую часть излучения, но это поглощение включает в себя более сильные явления ионизации».

Тогда почему УФ-лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи не классифицируются как «тепловые лучи»?

В случае с рентгеновскими лучами и гамма-лучами это происходит потому, что они не взаимодействуют с кожей так, как инфракрасное излучение, а именно не создают ощущения тепла на коже.

С УФ немного сложнее. Вы не чувствуете УФ-излучения напрямую. Но согласно сайту FDA.gov,

«Когда ультрафиолетовые лучи достигают вашей кожи, они повреждают клетки эпидермиса. В ответ ваша иммунная система увеличивает приток крови к пораженным участкам. Увеличение притока крови — это то, что придает солнечным ожогам характерное покраснение и делает кожу теплой на ощупь. "

Надеюсь это поможет.

Я думаю, что «тепловые лучи» — очень расплывчатый и неформальный термин, так что не принимайте его слишком строго. Использование, вероятно, связано с тем фактом, что большинство объектов имеют температуру, при которой в основном излучается ИК-излучение. Чтобы начать излучать видимое, оно должно быть очень горячим, как сталь в горне. И из-за этого камеры ночного видения или «теплового видения» сделаны для обнаружения ИК.

Да, это немного неправильное название, но оно неформальное. Это сокращение от «лучи, которые мы не видим, но часто ощущаем как тепло». Я согласен, что это может вызвать путаницу. Большая часть тепла, которое мы получаем от солнца, находится в форме видимого света, поэтому, если вы думаете, что инфракрасное излучение «отвечает» за передачу тепла, у вас будет неточное представление.

Конечно, другие электромагнитные излучения тоже могут нагревать вещи, но мы редко чувствуем тепло от них, а если и чувствуем, то это плохо. Рентгеновские лучи высокой энергии могут нагревать ткани, как и микроволны, но мы стараемся избегать такого воздействия. Таким образом, в повседневном опыте, если вы чувствуете тепло, исходящее от горячей вещи (но окружающий воздух не такой горячий), ваша кожа «видит» яркое инфракрасное излучение.

Тепло — это то, что вы чувствуете на своей коже, а не энергия. вероятно, вы когда-то делали рентген. у них много энергии, но вы чувствовали тепло?

Это просто вопрос восприятия и языка. Мы ощущаем (некоторую часть) инфракрасного спектра как тепло, тогда как видимый спектр воспринимаем как свет.

Вот эксперимент, который вы можете легко провести. Найдите старомодную 60-ваттную лампу накаливания, которая наряду с видимым светом излучает много инфракрасного излучения. Поместите руку на несколько дюймов/см от него. Вы чувствуете тепло, не так ли? Теперь возьмите светодиодную лампочку, излучающую те же люмены видимого света, и держите руку на таком же расстоянии. Держу пари, ты совсем не чувствуешь тепла, верно? Это потому, что лампа излучает очень мало инфракрасного излучения.

Если вы выполните поиск, например, «спектр излучения светодиодной лампы», вы найдете более подробную информацию о том, какое излучение излучают светодиодные лампы и другие источники света.

Я опаздываю на вечеринку, но чувствую, что некоторые моменты еще нужно прояснить.

ИК является наиболее эффективным механизмом нагрева органического вещества благодаря двум ингредиентам:

1. Он резонансно поглощается фононами,

2. Фононный вклад в теплоемкость, а значит, и во внутреннюю энергию вещества при нормальных условиях является доминирующим.

Видимый свет также поглощается веществом, вызывая переходы электронов в валентную зону проводимости. Несмотря на то, что соответствующая энергия фотона больше ($h\nu_\mathrm{viz}\gg h\nu_\mathrm{IR}$), суммарный эффект очень мал из-за разницы удельных теплоемкостей электронов и фононов. Это можно снова проследить до двух моментов:

1. К большому массовому отношению$M/m_e\gg1$.$M$масса ядер,$m_e$есть масса электрона.

2. В органических материалах почти нет свободных подвижных электронов.

Некоторые исключения из этих аргументов дополнительно проясняют ситуацию: в металлах при очень низких температурах электронный вклад во внутреннюю энергию больше, чем фононный вклад. Почему? Опять же из-за двух моментов:

1. Есть свободные электроны.

2. Фононы заморожены (например, как предсказывает модель Дебая). Удельная теплоемкость электронов изменяется как$T$(линейно с температурой, тогда как удельная теплоемкость фононов как$T^3$(на основе модели Дебая для$T\ll T_D$, ниже температуры Дебая$T_D$).

Однако вы также не можете эффективно нагревать металлы видимым светом из-за отражений. Это связано с типичными электронными концентрациями$n$который таков, что преобладающее поглощение металлов находится в УФ-диапазоне частот (плазмоны) или даже ниже из-за$d$-$d$переходы. С увеличением энергии фотона очень скоро начинает преобладать ионизация. Фотоионизированные электроны в принципе могут нагревать систему, однако здесь мы находимся в совершенно другом режиме.

Есть хорошие ответы от @rogervadim и @bobd, и я чувствую, что мне нужно добавить хороший пример, почему, как вы говорите, классифицировать только ИК как тепловые лучи неправильно.

Мой любимый пример — раскаленные светящиеся куски металла, излучающие более широкий спектр лучистого теплообмена, включая ИК и видимый. Горячий металл пытается достичь теплового равновесия с окружающей средой всеми возможными способами, включая излучение видимого (кроме инфракрасного, конечно) света. Я считаю, что это, как вы говорите, неправильное название, потому что в этом примере вы можете прекрасно видеть, как объект рассеивает тепло, включая видимый свет, поэтому классифицировать только ИК как тепловые лучи неправильно. Правильно будет сказать, что, поскольку наша Вселенная в своей основе является квантово-механической, процессы, связанные с переносом тепла, в конечном счете тоже основаны на КМ (но, безусловно, некоторые из них могут быть объяснены классически), и одной из фундаментальных причин, по которой КМ была «изобретена», была УФ-катастрофа, как вы можете видеть из других ответов,

Но окончательный ответ заключается в том, что радиационная теплопередача может включать (и иногда включает) свет с длиной волны, отличной от инфракрасной, в том числе видимый, поэтому классифицировать радиационную теплопередачу исключительно как инфракрасную некорректно.

Весь свет несет энергию

Вы совершенно правы в том, что все формы электромагнитного излучения несут энергию, и вы можете обратиться к ответу Боба за техническими подробностями. Также совершенно неверно, что только инфракрасное излучение нагревает вещи, но в распространенных заблуждениях скрыта доля правды, так что давайте разберемся.

Я собираюсь рассказать о том, как различные частоты (и соответствующие им длины волн) взаимодействуют с вашим телом и откуда они могут исходить.

Мои цифры будут приблизительными, так как я пытаюсь передать идею происходящего, а не точные значения или имена.

Радиоволны

Радиоволны — это довольно широкий термин, начиная от волн всего в несколько Гц и заканчивая гигагерцами. Начнем с нижнего конца.

Очень длинные радиоволны

На частотах до 1 кГц ваша длина волны составляет не менее 300 км (300 Мм/с / 1000 /с). Значит, ваше тело совершенно ничтожно по сравнению с проходящей по нему волной. Он почти не взаимодействует с ним. Для эффективного взаимодействия с ними требуется что-то размером с планету. Основным естественным источником их являются удары молнии.

Еще длинные радиоволны

Подскочив на несколько порядков, до 1 МГц, длины волн все равно не менее 300 м. Ваше тело по-прежнему с ним толком не взаимодействует, будучи более чем на 2 порядка меньше.

Более короткие радиоволны и микроволны

Поднявшись до 1 ГГц, мы начинаем входить в область микроволнового излучения, хотя называть их радиоволнами по-прежнему правильно. Длина волны может достигать 0,3 м (30 см), и мы недалеко от частоты типичной микроволновой печи (2,45 ГГц с длиной волны около 12,5 см).

По мере прохождения этого частотного диапазона они начинают все больше и больше взаимодействовать с человеческими телами. Вы могли заметить, как на сигналы телевидения и радио влияет ваше простое присутствие рядом с антенной. Однако количество задействованной энергии, как правило, довольно низкое, и когда они взаимодействуют с вами, отложенная энергия распределяется по всему вашему телу, поэтому вы не почувствуете ее на своей коже.

Микроволны

При увеличении до 1 ТГц длина волны уменьшается до 0,3 мм (300$\mu m$). Используемый в основном для беспроводной связи с высокой пропускной способностью и радаров, он начинает входить в диапазон частот, который взаимодействует в основном с вашей кожей, и вы на самом деле это чувствуете. История гласит, что использование микроволн для разогрева пищи было обнаружено инженером-радаром, чья плитка шоколада таяла, когда он проходил перед антенной. Однако это при очень высоком уровне мощности, и вы обычно не столкнетесь с ними за пределами микроволновой печи.

Космический микроволновый фон находится на частоте 160 ГГц и представляет собой излучатель черного тела с температурой около 3 Кельвинов.

Инфракрасный

Сейчас я немного замедляю наши шаги, так как начинает происходить много интересных изменений.

Дальний инфракрасный

Для наших целей мы определим «дальний инфракрасный диапазон» как все до 100 ТГц (длины волн до 3$\mu m$). Как и короткие микроволны, они будут взаимодействовать с вашей кожей, и, в отличие от микроволн, температура черного тела, связанная с ними, достигает примерно 80 градусов по Цельсию, что превышает температуру человеческого тела.

По мере того, как излучение черного тела увеличивается в четвертой степени по температуре, оно начинает включать значительное количество энергии, и именно здесь вы начинаете ощущать присутствие теплых вещей.

Поскольку этот диапазон также включает в себя большинство температур, с которыми мы обычно сталкиваемся, тепловизионные камеры используют его.

В общем, не странно, что его часто называют «тепловым инфракрасным».

Средний и ближний инфракрасный диапазон

Не так уж много меняется при увеличении частоты до 430 ТГц (700 нм), за исключением того, что температура черного тела поднимается примерно до 4 килокельвинов, а задействованная энергия излучения продолжает увеличиваться на четвертую степень температуры. Это то, что вы чувствуете, когда находитесь рядом с огнем или лампочкой накаливания.

Часть этого диапазона используется для тепловизионных камер, предназначенных для отслеживания высокотемпературных источников тепла, как правило, тепловых двигателей, питающих танки, реактивные самолеты и ракеты.

Видимый свет

Достигая 750 ТГц, длина волны продолжает уменьшаться примерно до 400 нм. Не так уж много изменений по сравнению с ближним инфракрасным, но есть некоторые примечательные моменты.

• Около половины солнечной энергии, достигающей поверхности земли, находится в этом диапазоне, подобно количеству инфракрасной энергии.
• Он поглощается кожей подобно инфракрасному излучению. Конечно, это не совсем другой вид излучения.
• Используемые температуры черного тела аналогичны температурам поверхности звезд, поэтому цвета звезд в основном охватывают этот диапазон.
• Энергии фотонов начинают становиться достаточно большими (порядка 1 электрон-вольта (эВ)), чтобы делать интересные вещи. Это, наряду с тем фактом, что атмосфера в этом диапазоне очень прозрачна, позволяет иметь такие вещи, как рецепторы света и глаза. (инфракрасные «глаза», как правило, используют локальный нагрев для восприятия, что требует гораздо больших «размеров пикселей»)

ультрафиолет

Ультрафиолет назван так потому, что он за пределами фиолетового: мы его не видим. По мере увеличения частот начинает меняться больше вещей.

До 1 PHz (300 нм) люди могут не видеть его, но это не значит, что другие животные не могут.

За пределами 1,5 PHz (короче 200 нм) атмосферное поглощение резко возрастает, поскольку энергия фотонов становится достаточно высокой для ионизации кислорода. На еще более высоких частотах они также будут взаимодействовать с азотом.

По мере увеличения энергии фотонов число молекул, которые фотоны могут разрушить, увеличивается, увеличивая вероятность повреждений и солнечных ожогов, хотя ни один ультрафиолетовый свет не кажется полностью безопасным.

Выход солнечного света в ультрафиолетовом диапазоне довольно быстро падает, поскольку мы превышаем его температуру черного тела.

Ультрафиолетовый свет по-прежнему в основном поглощается кожей, но если ваша кожа чувствует себя теплой из-за ультрафиолетового излучения, вы быстро получите ужасный солнечный ожог.

Как только мы превышаем 30 PHz (10 нм), мы пересекаем довольно произвольный порог в

рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи начинаются «мягко», то есть они мало проникают и сильно поглощаются воздухом, но по мере увеличения частоты длина волны становится короче, а энергия фотона увеличивается. Около 10 кэВ (120 пм, 12,5 Гц) глубина проникновения начинает превышать 1 мм, переходя на территорию «жесткого рентгеновского излучения». Жесткие рентгеновские лучи проникают глубже, позволяя им распространять свою энергию за пределами вашей кожи. Опять же, если вы чувствуете нагревание от этого, вам следует беспокоиться о смертельной дозе ионизирующего излучения, которое вы только что получили.

Гамма излучение

Разница между рентгеновскими лучами и гамма-лучами заключается в их происхождении: рентгеновские лучи генерируются с использованием электронных процессов, а гамма-лучи генерируются с использованием ядерных процессов. Их энергетические диапазоны перекрываются, но типичный фотон гамма-излучения может иметь частоту 300 Гц (1 час, 1,25 МэВ). Они ведут себя подобно жесткому рентгеновскому излучению, но при более высоких энергиях в большей степени.

Заключение

Весь свет несет энергию, но в типичном человеческом опыте только инфракрасный и видимый свет будут ощутимо нагревать вас. Видимый свет также обычно сопровождается инфракрасным светом, поэтому не странно предположить, что тепло переносится (только) инфракрасным светом.

Однако, если вы выйдете на солнце и почувствуете его излучение мощностью 1 кВт/м^2, примерно половина энергии, нагревающей вас, на самом деле будет видимым светом, а не инфракрасным.

Кроме того, если вы используете тепловизионную камеру, вы фактически измеряете определенную полосу инфракрасного света, и таких полос может быть несколько в зависимости от того, что вы ищете. (животные и среда их обитания, или выхлопы тепловых двигателей)

Это потому, что они излучаются объектами, которые мы в повседневной жизни считаем горячими. Наша кожа чувствительна к ним, поэтому мы можем избежать ожогов. Также мы определяем отсутствие тепловых волн как холод, поэтому мы можем избежать гипотермии.