1 . ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ
- Види оптичного випромінювання та типи його спектрів
Для того щоб будь-яке тіло (тверде, рідке чи газоподібне) почало випромінювати електромагнітну енергію, у тому числі й світло, його атоми мають бути збуджені, для чого їм необхідно надати деяку кількість надлишкової енергії. Створюючи оптичне випромінювання, атоми втрачають отриману надлишкову енергію. Тому для тривалого світіння тіла необхідне постійне надходження енергії до його молекул та атомів іззовні.
Випромінювання світла, яке виникає за рахунок надходження тепла до випромінюючого тіла, називається тепловим. Відповідно джерела світла, які створюють таке випромінювання, називаються тепловими джерелами світла або тепловими випромінювачами.
Чим вища температура випромінюючого тіла, тим швидше рухаються у ньому молекули та атоми і, отже, більшу кінетичну енергію вони будуть мати. При зіткненні молекул і атомів частина цієї кінетичної енергії передається їхнім електронам, завдяки чому внутрішня енергія атомів збільшується і вони переходять у збуджений стан, який є нестійким.
Енергія, яка необхідна атомам для випромінювання світла, може надходити і з нетеплових джерел. Так, у газах вільні електрони можуть бути розігнані до великих швидкостей електричним полем. При зіткненні з атомами газу вони передають електронам цих атомів частину накопиченої в електричному полі кінетичної енергії, внаслідок чого може відбутися або збудження, або іонізація атомів газу. Збуджені атоми віддають отриману надлишкову енергію випромінюванням (у тому числі й світловим) і переходять у нормальний або менше збуджений стан.
Випромінювання тіл, яке не залежить від теплового стану випромінюючого тіла, називається люмінесцентним або просто люмінесценцією.
Коли джерелом енергії для переведення атомів і молекул у збуджений стан є електричне поле, то світіння, яке виникає, називається електролюмінесценцією.
Світіння тіл, яке виникає під дією випромінювання видимої та ультрафіолетової областей спектра (за рахунок поглинання фотонів), називається фотолюмінесценцією, а під дією рентгенівського та радіоактивного випромінювання - радіолюмінесценцією. При деяких хімічних реакціях, які відбуваються з виділенням енергії, частина цієї енергії також може перетворюватися у світлову. Це світіння називається хемілюмінесценцією.
Електролюмінесценція, яка виникає під дією ударів тіла негативно зарядженими частинками (електронами або негативними іонами), розігнаними в електричному полі, називається катодолюмінесценцією, а під дією позитивно заряджених частинок (позитивних іонів) - анодолюмінесценцією.
Речовини, які люмінесціюють під дією падаючого на них випромінювання, називаються люмінофорами. У більшості випадків люмінофори - це тверді кристалічні речовини.
Електролюмінесценція покладена в основу принципу роботи широкого класу розрядних джерел світла. Фотолюмінесценція застосовується у них для збільшення виходу видимого випромінювання та поліпшення його кольоровості. Це досягається за допомогою люмінофорів, в яких ультрафіолетове випромінювання, що поглинається, перетворюється у видиме.
Випромінювання більшості джерел світла являє собою сукупність електромагнітних хвиль різної довжини (частоти), у чому переконують досліди з розкладанням цього випромінювання у спектр, наприклад, за допомогою призм. Разом з цим енергія, яку несе із собою оптичне випромінювання, певним чином розподілена між хвилями різних довжин (кольорів), що входять до складу світлового пучка.
Спектральний склад випромінювання різних джерел світла дуже різноманітний. Світло певної довжини хвилі (певного кольору), яке входить до складу цього випромінювання, називається монохроматичним. Біле світло можна розкласти на червоне, оранжеве, жовте, зелене, голубе, синє та фіолетове. Крім названих основних кольорів, до складу цього розкладення входять також випромінювання із забарвленням у різні перехідні тони.
Довжини хвиль випромінювань, які виявляються в результаті розкладення білого світла в спектр, для різних кольорів мають такі значення:
- .620 нм - червоний;
- .590 нм - оранжевий;
- .560 нм - жовтий;
- .500 нм - зелений;
- .480 нм - голубий;
- .450 нм - синій;
- .380 нм - фіолетовий.
Поступовій зміні довжини хвилі відповідає безперервна зміна кольору випромінювання. Тому поділ видимої частини спектра випромінювання на сім зазначених вище зон є лише умовним. Можна до вказаних вище семи основних кольорів додати ще оранжево-червоний, жовто-оранжевий, зеленувато-жовтий та ін.
Безліч кольорових випромінювань можна отримати, якщо змішувати в різних пропорціях три промені різного кольору. Цей спосіб утворення різнокольорових випромінювань має назву адитивного, а той, що заснований на відніманні випромінювань певних кольорів, називають субтрактивним. Віднімання світлових потоків здійснюють поглинанням частини падаючого випромінювання при проходженні його через вибірково поглинаюче середовище, зокрема через світлофільтри.
Розподілення випромінюваної енергії за частотою для різних тіл є неоднаковим. Тіло з дуже чорною поверхнею, наприклад, випромінює електромагнітні хвилі різних частот, але на певну частоту vm припадає максимум енергії (рис. 1.1).
Повний спектр різних видів електромагнітних випромінювань показаний на рис. 1.2. Верхня шкала на ньому відповідає ультрафіолетовому, видимому та інфрачервоному випромінюванням.
Спектри оптичного випромінювання можуть бути суцільними (неперервними), лінійчастими та смугастими.
Суцільний (неперервний) спектр оптичного випромінювання вміщує усі спектральні кольори, які плавно переходять один у інший. На екрані спектрографа він являє собою суцільну різнокольорову смугу. Цей тип спектра є характерним для теплового випромінювання більшості твердих та рідких тіл.
Рис. 1.1. Приблизний вид кривої залежності енергії випромінювання W від його частоти v при неперервному спектрі випромінювання
Лінійчастий спектр являє собою сукупність кольорових ліній різної яскравості та ширини. Ці лінії відокремлені у спектрі одна від одної відносно широкими темними зонами. Речовини з лінійчастим спектром випромінюють світло, яке складається з променів тільки певних довжин хвиль. Такий спектр мають речовини, які знаходяться у газоподібному атомарному стані. Монохроматичні випромінювання із строго визначеними довжинами хвиль утворюють ізольовані атоми будь-яких хімічних елементів.
Приблизний вид кривих розподілу енергії у випромінюванні речовин, що мають лінійчастий спектр випромінювання, показаний на рис. 1.3, з якого видно, що кожна лінія має у такому спектрі певну ширину.
Смугастий спектр складається з окремих смуг, які розділені між собою темними проміжками. Разом з тим кожна смуга являє собою сукупність цілого ряду щільно розташованих ліній. Такий спектр випромінювання є характерним для молекулярних газів.
Кожна речовина характеризується своїм спектром випромінювання і поглинає електромагнітні хвилі тільки певних довжин. Зазвичай спектри випромінювання речовин називають емісійними, а поглинання - абсорбційними.
Як зазначено вище, до оптичного відноситься не тільки видиме випромінювання, але й найближчі до нього у спектрі частки інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань.
Рис. 1.2. Повний спектр різних видів електромагнітних випромінювань
Ці випромінювання зазвичай також створюються джерелами світла і часто виникають у них одночасно з видимим.
Рис. 1.3. Вид кривих розподілу енергії у випромінюванні речовин із лінійчастим спектром випромінювання
Найбільш характерною для інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль λ=780...106 нм є теплова дія і значно меншою мірою-фотоелектрична та фотохімічна. Ультрафіолетове випромінювання оптичної області спектра з довжинами хвиль λ =10...380 нм має досить сильну фотоелектричну, фотохімічну і біологічну дію. Як ефективність нагрівання, так і інші дії інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювань суттєво залежать від їхнього спектрального складу.
Інфрачервоне оптичне випромінювання забезпечує променевий нагрів різних речовин, матеріалів і виробів у багатьох технологічних процесах (при паянні, зварюванні, сушінні, для підігріву їжі і т. ін.). При певних дозах воно створює тепловий комфорт для людей і тварин, підсилює кровообіг в їхніх тканинах, поліпшує обмін речовин, підвищує тонус, активізує захисні сили організму і т. ін.
Ультрафіолетове оптичне випромінювання здатне змінювати хімічну структуру окремих клітин і тканин живих організмів. При довжині хвиль λ=280...380 нм і певних дозах воно позитивно впливає на рослини та організм людей і тварин (активізує дихання, поліпшує кровообіг і діяльність залоз внутрішньої секреції і т. ін.). Опромінювання людей і тварин невеликими дозами ультрафіолетового випромінювання просто необхідне для нормального функціонування їхніх організмів. Однак надмірне опромінювання живого організму як ультрафіолетовим, так і інфрачервоним випромінюванням може негативно вплинути на нього. Тому при використанні цих випромінювань необхідно суворо виконувати правила техніки безпеки.
Механізм дії оптичного ультрафіолетового випромінювання на людей і тварин пов’язаний з рядом рефлекторних реакцій, які виникають у результаті подразнення нервово-рецепторного апарату їхньої шкіри. При цьому дози опромінювання не повинні перевищувати допустимих.
Бактерицидна дія оптичного ультрафіолетового випромінювання забезпечує стерилізацію та дезінфекцію повітря, води і поверхонь різних предметів, матеріалів, продуктів і приміщень у харчовій і фармацевтичній промисловості та у лікарнях. Найефективнішими у цьому відношенні є випромінювання з довжинами хвиль λ=200...265 нм.
Знезаражування питної води бактерицидним випромінюванням порівняно з хлоруванням знижує вартість її очищення у 2-3 рази і забезпечує одночасно високі фізико-хімічні та інші властивості води.