Dimenzió #22

MeGiNT eLeVeN

(irodalom, gazdaság, számitástechnika, filozófia, fizika, kommunikáció, egyveleg)

Legnépszerűbb számunk

[#24] Kapcsolat - kezdő és gyakorló szeretőknek -


Legnépszerűbb cikkünk

[#24] Szerelmes versek

                       2. AZ INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS (IR)

   Az  ember  az  elektromágneses  sugárzásokra  nem  minden  szervével  tud
egyértelműen  reagálni,  hiszen nem is érzékeli azokat. (Jó példa erre, hogy
az  ember  hallószerve  nem  reagál  az  elektromágneses hullámokra, további
érdekesség,  hogy  a  radarhullámok  eddig  felderítetlen  módon  hatnak  az
idegrendszerre  egyes  emberek  esetében.  Feltételezhető,  hogy az agykérgi
hallóközpontban  van  egy  a radarhullámokra érzékenyen reagáló rendszer is,
amely bizonyos személyeknél kifejlődött.)

   A  nemlátható  elektromágneses sugárzást a szem nem érzékeli, (hiszen nem
látható) de hatásainak következményeit már érzékeljük.

   1666-ban  Newton  fedezte  fel,  hogy a napfény prizmán keresztül haladva
számtalan színes sugárra bomlik - színspektrum - mely az ibolyától a vörösig
terjed. (3 sz. ábra)


               
3. sz. ábra A látható színkép két oldalán levő hullámhossz tartományoknak hagyományos elnevezése az infravörös és az ultraibolya. (4. sz. ábra) Az infravörös sugárzás a látható fény hosszú hullámhosszúságú végéhez (kb. 760 nm) csatlakozik és egészen a rádióhullámok tartományáig (1 mm) terjed.
4. sz. ábra Az IR hullámokat William Herschel fedezte fel 1800-ban, amikor a fény színképének vörös tartományát hőmérővel vizsgálata. A legfontosabb IR források a hőmérsékleti sugárzók. Például egy izzólámpa sugárzási teljesítményének 90%-át az IR tartományban bocsátja ki. Magasabb hőmérséklet és jobb fényhasznosítás azért nem lehetséges, mert az izzószál megolvadna. A testek hőmérsékletüknél fogva hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki. Az abszolút fekete test (5. sz. ábra) és speciális lámpák például a Nernst égő (6. sz. ábra) folytonos IR színképet bocsátanak ki.
5. sz. ábra
6. sz. ábra Ebből szűrőkkel és frekvenciafüggő visszaverődéssel lehet egyes hullámhossz tartományokat elkülöníteni. A hőmérsékleti sugárzás a környezet hőmérsékletétől függenek, egy test tehát akkor is sugároz, ha a környezete melegebb. Ekkor azonban a test több energiát vesz fel mint amennyit a környezetének lead. A sugárzó test és környezete között termikus egyensúly áll fenn, ha közöttük nincs hőmérséklet különbség. Az abszolút fekete test elnyelési együtthatója minden hullámhosszon lambda = 1 azaz, az abszolút fekete test a ráeső teljes sugárzást elnyeli. Minden test közül a legnagyobb sugárzási teljesítményt bocsátja ki. A fekete test színképének spektrális energia eloszlásának maximuma van, amely növekvő hőmérsékletekkel a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el. A nap emissziós színképe T=6 000 K. hőmérsékletű fekete test sugárzásának felel meg és maximuma a sárgászöld tartományban van. A belül vörösösen izzó kiégető kemence 1.700 K hőmérsékletű fekete test sugárzásával egyenlő. A nap által kibocsátott energiának csak egy töredéke sugárzódik ki látható fény formájában, a nagy része olyan rövid vagy olyan hosszú hullámhosszúságú sugárzás, amelyre szemünk nem érzékeny. Az ultraibolya az infravörös sugarak, látható fény, valamint minden egyéb más fajta sugárzás, melyeket a Nap kibocsát ráesnek a földünkre is. Bármilyen különbözőek is ezek a sugárzások, egy közös tulajdonságuk van: mindegyik termel hőt amikor a földben és a légkörben elnyelődik. Így a Nap által termelt energiát legjobban az elnyelt hőmennyiségből határozhatjuk meg. Tulajdonképpen ez az energia teszi lehetővé az életet a Földünkön. A Nap által szétsugárzott energiának kb. csupán csak 2 milliárdod része esik rá a Földre, de már ez a csekély töredék is elég volt ahhoz, hogy megvalósuljanak az élet feltételei. Mindezekből megállapítható, hogy az izzó testek által kibocsátott sugárzás erőssége a növekvő hőmérséklettel szintén nő, és a legerősebb, legintenzívebb sugár hullámhossza a hőmérséklet növekedésével a vöröstől a spektrum kék vége felé tolódik el. A 7. ábrán a Nap spektrális sugárerőssége tanulmányozható.
7. sz. ábra 2.1. Sugárzási törvények A hőmérsékleti sugárzás színképe a századforduló táján a mérések eredményeképpen már jól ismert volt. Elméleti magyarázata azonban Wien-nek és Rayleigh-nak csak korlátozott hullámhossz tartományra sikerült. A kutatók tudatában voltak, hogy ezen a területen valami alapvetően új jelenhet meg a fizikában. Az áttörés Planck-nak sikerült. A Wien-féle sugárzási törvényt Wilhelm Wien-ről nevezték el, mely törvény jól leírja a rövid hullámhosszú sugárzást, de a hosszú hullámhosszú tartományban nem alkalmazható. A Wien-féle eltolódási törvény a fekete test sugárzásának maximumához tartozó hullámhossz ill. frekvencia és a test hőmérséklete közötti összefüggést írja le: b lambda = --- max T lambda ------------> a maximumhoz tartozó hullámhossz méterben, max b = 2.898 *10^3 mK ---> a Wien-féle állandó Példa: A 2.000 ºC felületi hőmérsékletű folyékony vas sugárzásának a maximuma mélyen bent van az IR tartományban. Ennek megfelelően csekély a sugárzás látható tartományába eső hányada. Stefan - Boltzmann-törvény, amely a fekete test kisugárzott felületi teljesítményét adja meg, azaz a felület egységre eső sugárzási teljesítményt az összes hullámhosszra összegezve: M = ĺ * T^4 ┌ ┐ │ W │ M * │---│ ---------------------> a kisugárzott felületi teljesítmény │ mý│ └ ┘ ĺ = 5.670 * 10^-8 * W * m^-2 * K^-4 ----> a Stefan-Boltzman állandó, Mivel a fekete test a környezetéből el is nyel sugárzást, a nettó kisugárzott felületi teljesítmény a következő: ┌ ┐ M = ĺ * │T^4 - T^4│ │ u │ └ ┘ ┌ ┐ │T │ ----> a fekete test környezetének a termodinamikai hőmérséklete │ u│ └ ┘ A Rayleigh-Jeans-féle sugárzási törvény jól leírja a fekete test hőmérsékleti sugárzásának hosszú hullámhossz tartományba eső részét a rövid hullámhosszoknál azonban túl nagy értékeket szolgáltat ("ultraibolya katasztrófa"): 2hv^3 T L = ----- --- v Cý v A Planck-féle sugárzási törvény nagy pontossággal írja le a fekete test sugárzását és igen fontos következménye lett a kvantumelmélet. A kvantumok, fotonok minden sugárzásnak, - így az IR sugárzásnak is elemi alkotórészei. 2.2. Az infravörös sugarak egyéb kimutatásának módszerei 2.2.1. A maradék sugarak módszere Egyes kristályoknak, például a kősónak, folypátnak bizonyos szűk IR tartományban magas visszaverő képessége van. Egy olyan berendezést, amelyben egy hőmérsékleti sugárzó hullámait NaCl kristály sík felületein többszörös visszaverődésnek tesszük ki, végül 51 ćm körüli hullámhosszúságú maradék sugárzás hagyja el. 2.2.2. Lézeres módszer Bizonyos típusú lézerek intenzív monoenergetikus IR sugárforrások, például a neodímium (YAG)-lézer lambda = 1.07 ćm hullámhosszúságú sugárzást bocsát ki. Egy atomot érő sugárzás csak akkor abszorbeálódik, ha energiája az atom két belső energia szintjének E energia különbségével egyenlő. Tehát akkor és csak akkor, ha hv = E. Az atom ekkor gerjesztett állapotba kerül. A gerjesztett atom rövid időn belül ismét leadja a felvett energiát. Az
8. sz. ábra energia kibocsátás legtöbbször spontán következik be, de egy E energiájú kvantum is kiválthatja. Ez az indukált emisszió. Egyidejűleg két azonos energiájú kvantum lép ki, ezért a sugárzás erősítése figyelhető meg. Amennyiben a sugárzás erősítése a látható, vagy az IR, vagy az UV hullámhossz tartományban következik be, lézerről beszélünk. (Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (8. sz. ábra) 2.2.3. Egyéb módszerek Az IR sugárzás kimutatása történhet még kis hőkapacitású hőmérővel, termoelemmel (9. sz. ábra) (sorbakapcsolt termoelemekből álló termooszlopról van szó, a termooszlop forrasztási helyeit befeketítik és laposra préselik, a termoelemek sötét oldalukkal a sugárforrás felé fordítva helyezkednek el, az ellenkező oldaluk lehűl), fotocellával (fotocella: fényelem - a ráeső sugárzás energiájának egy részét közvetlenül elektromos energiává alakító, s ezáltal a sugárzás hatását elektromos áram keletkezésével jelző berendezés, amelyben a keletkező áram nagysága a ráeső sugárzás erősségével arányos. Lényegét olyan fém, vagy félvezető elektród alkotja, amelyből a sugárzás hatására elektronok lépnek ki, s ezek fotoáramot indítanak. Kapcsolási módjuktól függően a fotocellákat használják még az IR sugárzás kimutatásán kívül áramforrásul vagy a más forrásból eredő elektromos áram megvilágításának megfelelő szabályozójául), fotoelektron-sokszorozóval, vagy kristálydetektorral (kristálydetektor egy félvezető kristályból és a kristályt érintő fémcsúcsból áll) és speciális fényképezőlemezekkel történhet, melynek fényérzékeny rétege különleges anyagból készül.
9. sz. ábra Az IR tartományban dolgozó készülékek optikai elemei (lencsék, prizmák, ablakok) kvarcból készülnek, mivel, a közönséges üveg az IR tartományban erősen abszorbeál (abszorpció: fényelnyelés). Másrészt viszont néhány olyan anyag, amely a látható fényt elnyeli, az IR sugárzást átengedi. Jó példa erre a jód széndiszulfidos oldata.
Google
 
Web iqdepo.hu
    © Copyright 1996-2019
    iqdepo / intelligence quotient designing power - digitális kultúrmisszió 1996 óta
    All rights reserved. Minden jog fenntartva. | xhtml, css, 508
internetes partnerünk:
Netmester
netmester a holnaptervező