книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

в. В. КОЗЕЛКИН,

и. Ф. УСОЛЬЦЕВ

основы

ИНФРАКРАСНОЙ

ТЕХНИКИ

Издание 2-е, переработанное н дополненное

Попущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для учащихся техникумов

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

I 974

Ч а с т ь I

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ

ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКИ

Г л а в а I. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ понятия И ЗАКОНЫ

§1.1. ИНФРАКРАСНЫЙ СПЕКТР

В1800 г. английский ученый В. Гершель проводил исследо­ вания солнечного света, разложенного с помощью стеклянной призмы. Помещая термометры в различные участки спро­ ектированного призмой на стол

солнечного спектра, В. Гер­

В середине прошлого столе­ тия физики А. Ампер, Меллони и Дж. Гершель высказали пред­

положение, что инфракрасное и видимое световые излучения имеют одну и ту же природу. Это предположение подтвердилось последующими исследованиями. В 1846—1848 гг. опытами с ин­

5

терференцией, дифракцией и поляризацией инфракрасного из­ лучения было доказано, что это излучение отличается от види­ мого только длиной волны.

Разработанная в 70-х годах прошлого столетия Дж. Максвел­ лом теория электромагнитных волн помогла установить единст­ во световых и электромагнитных явлений. Эксперименты с инф­

границе с видимым излучением, т. е. имеет длину волны 0,75 мкм. Верхняя, длинноволновая граница, долгое время была неизвест­ на. По мере совершенствования методов и средств исследований верхняя граница инфракрасного излучения отодвигалась все далее и далее в область длинных волн, пока работы советских физиков А. А. Глагольевой-Аркадьевой в 1924 г. и М. А. Ле­ вицкой в 1927 г. не доказали, что эта граница вплотную примы­ кает к области ультракоротковолновых радиоизлучений.

А. А. Глагольева-Аркадьева в 1924 г. разработала так на­ зываемый массовый излучатель, в котором при помощи искр, возникающих в среде, образованной суспензией опилок в масле,

* Частота колебаний v оптического, в том числе инфракрасного диапазона волн, по аналогии с радиодиапазоном обозначается иногда через /.

6

генерировался спектр излучения от 82 мкм до 5 см, перекры­ вающий область инфракрасных лучей и микрорадиоволн. Этим было доказано, что радио- и инфракрасные излучения можно создать одними и теми же методами.

В настоящее время квантово-механическими генераторами можно успешно генерировать как радио-, так и инфракрасные излучения большой мощности. Таким образом соединились спект­ ры радиоколебаний и инфракрасного излучения, поэтому верх­ няя, длинноволновая граница последнего является чисто ус­ ловной. Обычно считают длинноволновой границей области ин­ фракрасного спектра 0,75 мм, или 750 мкм.

Из л у ч е н и е

—о, Ультра,-

Рис. 1.2. Расположение инфракрасного спектра в общем спектре электромаг­ нитных колебаний

Итак, инфракрасные лучи занимают не видимую для глаза область электромагнитного спектра, начинающуюся непосредст­ венно за видимыми красными лучами и простирающуюся ус­ ловно до области микрорадиоволн, т. е. диапазон от 0,75 до 750 мкм. Так как этот диапазон перекрывает довольно большую область электромагнитного спектра, то для удобства весь инфра­ красный спектр излучения разделяют на три поддиапазона:

0,75—1,5 мкм — коротковолновый (ближнее ИК-излучение); 1,5—15 мкм — средневолновый; 15—750 мкм — длинноволновый (дальнее ИК-излучение).

Такое подразделение определяется главным образом областями использования этих излучений и приборами, применяемыми для их обнаружения.

Расположение инфракрасного спектра в общем спектре элект­ ромагнитных колебаний показано на рис. 1.2.

Деление спектра электромагнитных колебаний на отдельной области дано в табл. 1.1.

Различают монохроматическое и интегральное излучения. Монохроматическим называется излучение, лежащее в очень

узком интервале волн от X до X-\-d%. Все величины, относящие­ ся к данному интервалу длин волн dX, обозначают индексом X (например, ).

7

i аблица 1.1

Классификация спектра электромагнитных колебаний

Рис. 1.3. Разновидности спектров:

а—непрерывный; б—линейчатый; в—полосовой; г—смешанный

Интегральным (или полным) называется суммарное излуче­ ние во всем интервале длин волн от Х=0 до Х=оо или в какомто достаточно широком интервале от A,i до

Различная преломляемость излучений с разными длинами волн позволяет разложить излучение в определенном диапазоне на его монохроматические составляющие. Упорядоченное рас­ положение этих составляющих по длинам волн называют спект­ ром. В зависимости от природы излучения спектр может быть сплошным (непрерывным), линейчатым и полосовым (рис. 1.3).

8

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