Warto przeczytać

Wszystkie ciała składają się z atomów lub cząsteczek, które są w nieustającym, bezładnym ruchu. Nawet molekuły ciał stałych, uwięzione w siatce krystalicznej, wykonują chaotyczne drgania. Ten chaotyczny ruch atomów i cząsteczek nazywamy ruchem termicznym. Na skutek zderzeń i oddziaływań międzycząsteczkowych energia poszczególnych molekuł wciąż ulega zmianie. Doznają one przyspieszeń i oscylacji. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra i elektronów o ujemnym ładunku. Gdy cząstka naładowana porusza się z przyspieszeniem, emituje falę elektromagnetyczną.

Promieniowanie termiczne, zwane też promieniowaniem cieplnym, to fale elektromagnetycznefale elektromagnetycznefale elektromagnetyczne emitowane przez cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym w wyniku ich ruchu termicznego w materii.

Wszystkie ciała o temperaturach wyższych niż zero bezwzględne ($-273,{15}^{\circ }C,0^{}K$) emitują promieniowanie termiczne. Fale elektromagnetyczne, padające na ciało mogą być przez nie absorbowane. Im ciało, znajdujące się w stałej temperaturze, absorbuje więcej energii, tym więcej jej emituje. Stosunek promieniowania zaabsorbowanego do wyemitowanego nie zależy od natury ciała – dla wszystkich ciał jest taką samą funkcją temperatury i długości fali.

Dlaczego widzimy promieniowanie termiczne tylko w przypadku silnie rozgrzanych ciał, jak na przykład pręt metalowy w piecu hutniczym?

Światło jest falą elektromagnetycznąfale elektromagnetycznefalą elektromagnetyczną. Każdej barwie światła odpowiada inna długość fali. Światło czerwone to fala o największej długości, światło niebieskie i fioletowe – o najmniejszej. Światło białe jest mieszaniną wszystkich barw, które ujawniają się w tęczy, powstałej w wyniku rozszczepienia światła białego na kropelkach wody w atmosferze (Rys. 1.).

Rasumb7quhvG5

Rys. 1. przedstawia zdjęcie fragmentu tęczy na niebieskim niebie z licznymi obłokami, nad pagórkowatym terenem porośniętym trawą. W oddali widać pas lasu.

Po podgrzaniu metalowego pręta, na przykład nad palnikiem gazowym, do temperatury około 500°C, zauważymy, że zacznie on świecić czerwonym światłem. Gdy temperatura pręta wzrasta, barwa światła zmienia się w pomarańczową, żółtą, a potem – białą. Wzrost temperatury powoduje emisję fal elektromagnetycznych o coraz mniejszej długości fali. Jednocześnie ze wzrostem temperatury pręt świeci coraz intensywniej – mówimy, że wzrasta natężenie promieniowanianatężenie promieniowanianatężenie promieniowania, czyli energia promieniowania emitowana w czasie 1 sekundy przez 1 mIndeks górny 2² powierzchni ciała.

Wszystkie ciała mocno rozgrzane świecą. Okazuje się, że ciała o niskiej temperaturze, które nie świecą widzialnym światłem, również emitują promieniowanie, ale w zakresie fal dłuższych niż w przypadku światła widzialnego. Takie promieniowanie nazywamy promieniowaniem podczerwonympodczerwieńpromieniowaniem podczerwonym. Jest ono niewidzialne dla naszych oczu, ale przenosi energię cieplną. Promieniowanie podczerwone wykorzystuje się na przykład do nagrzewania ciała specjalną lampą na podczerwień (Rys. 2.). Widzimy, że lampa świeci dość słabym, czerwonym światłem, ale znacznie intensywniejsze jest jej promieniowanie w zakresie podczerwieni, niewidzialne dla nas. Odczuwamy tylko jego skutki w postaci nagrzewania ciała.

R1JRV8QrrnTFV

Rys. 2. przedstawia zdjęcie lampy na podczerwień na szarym tle. Lampa przypomina nowoczesną lampkę gabinetową w kolorze beżowo‑czarnym, lecz miejsce klasycznej żarówki zajmuje żarówka emitująca światło czerwone.

Ten przykład pokazuje, że promieniowanie termiczne nie jest ograniczone do wąskiego zakresu długości fal. Ciała emitują promieniowanie o każdej długości fali w bardzo szerokim zakresie od nadfioletu do podczerwieni, ale maksimum tego promieniowania przypada na określony przedział długości fal, zależny od temperatury. Tak więc w lampie na podczerwień maksimum promieniowania przypada na zakres długości fal odpowiadający promieniowaniu podczerwonemu, a w innych zakresach promieniowanie jest znacznie słabsze. Gdy metalowy pręt jest rozgrzany do czerwoności, to oprócz czerwonego światła, które widzimy, emitowane jest też promieniowanie podczerwone, odczuwane jako wrażenie ciepła. Dalsze zwiększanie temperatury powoduje, że coraz większy jest udział fal krótkich, w wyniku czego barwa pręta zmienia się w żółtą i potem białą. Nadal jednak pręt emituje światło czerwone i promieniowanie podczerwone, ale ich udział w całkowitym promieniowaniu jest już mniejszy.

Promieniowanie słoneczne emitowane przez powierzchnię Słońca o temperaturze około 6000K zawiera światło widzialne w pełnym zakresie długości fal, ale również niewidoczne dla nas promieniowanie nadfioletowenadfioletnadfioletowe (ultrafioletowe) o długościach fal mniejszych niż dla światła widzialnego. Właśnie to promieniowanie powoduje, że się opalamy.

Jaka jest przyczyna tego, że ze wzrostem temperatury maleje dominująca długość fali promieniowania termicznego? Wzrost temperatury oznacza zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek, a więc i zwiększenie średniej energii promieniowania emitowanego przez cząsteczki. Im większa jest energia promieniowania, tym mniejsza długość fali.

Słowniczek