Что поглощает инфракрасное излучение

2. Поглощение ик-излучения веществом

В двухатомной молекуле АВ атомы А и В удерживаются в определенном положении весьма прочно, однако не совсем жестко. В молекуле могут происходить следующие типы движений 1) поступательное движение молекулы как целого, которое может рассматриваться как движение центра масс; 2) вращение молекулы вокруг центра масс; 3) колебание отдельных атомов, происходящие таким образом, что положение центра масс не изменяется и молекула не вращается; 4) движение электронов в молекуле; 5) вращение электронов и ядер атомов вокруг своих осей (спины электронов и ядер).

Таким образом, полная энергия молекулы является суммой поступательной, вращательной, колебательной и электронной энергий:

Е = E_пост + Е_эл + Е_кол + Е_вр (3)

Поступательная энергия мало влияет на молекулярные спектры. Относительные энергии трех различных молекулярных состояний для двухатомной молекулы представлены на рис. 2. Разница между вращательными уровнями составляет сотые доли эВ, между колебательными уровнями — десятые доли эВ и между электронными уровнями — единицы эВ.

Молекула, состоящая из n атомов, имеет 3n степеней свободы, три из которых относятся к поступательному, три к вращательному (две – в случае линейных молекул), а остальные 3n – 6 (или 3n – 5 в линейных молекулах) – к колебательному движению.

Колебательные движения в молекуле называются нормальными (собственными или фундаментальными) колебаниями или нормальными

модами. Эти колебания совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счёт первоначально накопленной энергии (вследствие наличия начального смещения или начальной скорости). Они представляют собой независимые повторяющиеся смещения атомов, при которых положение центра масс не меняется, причем все атомы колеблются в фазе с одной и той же частотой.

Нормальные колебания совершаются с некоторой частотой , определяемой массами обоих атомов и упругими силами связей:

, (4)

где с– скорость света;— силовая постоянная (сила связи или порядок связи, соответствующая упругой постоянной Гука);mиM– массы атомов.

Амплитуда колебаний увеличивается при поглощении молекулой энергии. ИК–излучение, вследствие малой энергоемкости, не затрагивает электроны в молекуле, поэтому с ИК–спектроскопией напрямую связаны случаи вращательного и колебательного движения. Причем чисто колебательных спектров не существует, так как молекулы в основном и возбужденном колебательном состояниях распределены по ряду вращательных состояний, и при переходе молекулы из одного колебательного состояния в другое одновременно происходит изменение их вращательных состояний. Поэтому при рассмотрении колебательных переходов необходимо учитывать вращательные состояния.

Способность вещества поглощать энергию ИК–излучения зависит от суммарного изменения дипольного момента молекулы при вращении и колебании, т.е. поглощать ИК–излучение может лишь молекула, обладающая электрическим дипольным моментом, величина или направление которого изменяется в процессе колебания и вращения. Дипольный момент означает несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле, т. е. электрическую асимметрию молекулы.

Таким образом, не все молекулы способны поглощать инфракрасное излучение. Молекулы, имеющие центр симметрии, например молекулы типа H₂,Cl₂,O₂и им подобные, лишены дипольного момента и не приобретают его в процессе колебания и, следовательно, в инфракрасном спектре не активны.

Энергетические уровни молекулы строго квантованы (т.е. имеют определенные дискретные значения, соответствующие устойчивым (стационарным) состояниям системы) и поэтому молекула поглощает только те частоты ИК–излучения, энергия которых соответствует разностям между двумя уровнями энергии связи. Следовательно, возрастание амплитуды колебания происходит не постепенно, а скачкообразно. Разность энергий состояний, между которыми происходит переход, равна согласно соотношению Бора:

Е=Е₂-Е₁ = h =hс (5)

где h — постоянная Планка (6,62310 -27 эргс/молекула); — частота измерения (с -1 );- волновое число (см -1 );Е₂иЕ₁ — энергии системы в конечном и начальном состояниях (эрг/молекула).

Уравнение (5) справедливо не только для ИК-области, а для всех областей электромагнитного спектра.

Таким образом, колебательно-вращательный спектр вещества наблюдается при поглощении им ИК — излучения, когда в результате взаимодействия с фотонами h происходят изменения колебательно-вращательных состояний, т.е. увеличиваются амплитуды колебания связей, при этом молекулы переходят на другие уровни энергии.

Колебательно-вращательный спектр определяется строением молекулы и состоит из отдельных полос. Число и частоты полос в спектре зависят: а) от числа образующих молекулу атомов; б) масс атомных ядер; в) геометрии и симметрии равновесной ядерной конфигурации; г) потенциального поля внутри молекулярных сил. Интенсивность полос в спектре определяется электрическими свойствами молекулы: электрическим дипольным моментом и поляризуемостью, а также их изменением в процессе колебаний.

Экспериментальные исследования большого числа молекул, обладающих одними и теми же химическими группами, показали, что, независимо от изменений в остальной части молекулы, эти одинаковые группы поглощают в узком интервале частот. Такие частоты получили название характеристических или групповых.

Существование характеристических частот можно объяснить следующим образом. Колебания определенной группы атомов или связей могут быть слабо связаны с колебаниями атомов остальной части молекулы. В этом случае частота колебаний этой группы или связи зависит только от их строения и мало зависит от окружающих атомов и связей. Вследствие этого различные молекулы, содержащие данную группу атомов или связей, будут характеризоваться различными колебательными спектрами, однако в каждом из них будет присутствовать одна или несколько одинаковых или почти одинаковых частот.

Установление характеристических частот позволяет, не производя никаких расчетов, определять по спектру присутствие в молекуле различных групп и связей и тем самым установить строение молекулы.

Материалы, которые поглощают инфракрасные лучи

Подобно тому, как солнцезащитные очки поглощают более жесткие участки солнечного света, многие материалы поглощают более длинные инфракрасные (ИК) волны, которые невидимы для человеческого глаза. Некоторые поглощающие инфракрасное излучение материалы, которые вы видите каждый день, включают в себя оконное стекло, пластик, металлы и дерево. Ваша кожа также поглощает инфракрасное излучение, позволяя вам чувствовать тепло солнца или костра. Материалы, поглощающие ИК-излучение, имеют множество применений, таких как улавливание тепла, такого как стекло теплицы, или блокирование его, например, металлических стенок печи.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Обычные поглощающие инфракрасное излучение материалы включают окна, пластмассы, металлы и дерево.

Материалы, которые поглощают инфракрасные волны

••• Apriori1 / iStock / Getty Images

Большинство материалов поглощают некоторые длины волн ИК, хотя это может быть только небольшой процент. Другие, такие как водяной пар в атмосфере Земли, поглощают большую часть инфракрасного излучения, которое исходит от Солнца. Кроме того, углекислый газ, озон и кислород также поглощают большую часть инфракрасного излучения, что позволяет очень немногим фактически достигать земли. Помимо водяного пара, водоемы на поверхности Земли также хорошо поглощают инфракрасные волны. Стекло, оргстекло, дерево, кирпич, камень, асфальт и бумага поглощают инфракрасное излучение. В то время как обычные серебряные зеркала отражают видимые световые волны, позволяя вам увидеть свое отражение, они поглощают инфракрасное излучение. Золото, марганец и медь также хорошо поглощают ИК-излучение. Согласно Next Energy News, Министерство энергетики США использует эти три металла для разработки наноантенн, которые преобразуют отработанное тепло в форме инфракрасного излучения в электричество.

Материалы, отражающие ИК-излучение

Алюминиевая фольга является сильным ИК-отражателем. Размещение листов алюминиевой фольги за радиатором на внешней стене может снизить потери тепла через стену. Способность снега отражать ИК-излучение обратно в космос помогает сохранять холод планеты. Если ваша машина слишком долго сидит на солнце, внутри становится слишком тепло. Частично это происходит из-за захвата видимых световых волн, но больший эффект — поглощение инфракрасного излучения краской автомобиля.

Материалы, которые излучают ИК-излучение

Почти все во вселенной излучает инфракрасные волны, если только оно не ниже минус 273 градусов по Цельсию (минус 460 градусов по Фаренгейту), что является абсолютным нулем и самой холодной температурой. При этой температуре связи в молекуле перестают вращаться, и у нее больше нет энергии для излучения в виде тепла. Интересно, что материалы, которые хорошо поглощают инфракрасное излучение, также хорошо излучают или излучают это излучение. Даже ледники излучают инфракрасное излучение, хотя и на гораздо более низких уровнях, чем вода. Лампы накаливания испускают много инфракрасного излучения вместе с видимым светом, в то время как новые люминесцентные лампы этого не делают.

Цвет объекта и ИК-поглощение

••• Мигель Анджело Силва / iStock / Getty Images

Более темные цвета поглощают видимые длины волн солнечного света, а не инфракрасные лучи. Следовательно, цвет материала не имеет значения для способности материала поглощать инфракрасный свет. Однако это может измениться с развитием новых технологий. По словам Plastemart, новые пигменты, предназначенные для отражения инфракрасного излучения, скоро сохранят в салоне автомобиля прохладу.

Какие распространенные материалы поглощают больше энергии от солнца?

Темные поверхности, металлы, бетон и вода эффективно поглощают солнечный свет, превращая его энергию в тепло.

Материалы, которые поглощают и отражают солнечную энергию

Солнечная энергия исходит от солнечной энергии. Сколько из этого доступно, зависит от того, будут ли дни солнечными или облачными. Солнечная энергия может быть использована для отопления домов, особенно в прохладном климате. В более теплом климате может быть желательно отражать солнечную энергию вдали от домов, чтобы они оставались прохладными. Разнообразные материалы впитывают .

Материалы, которые поглощают и отражают солнечную энергию

Каждый материал поглощает и отражает солнечную энергию. Однако некоторые материалы поглощают гораздо больше, чем отражают, и наоборот. Количество солнечной энергии, которую материал будет поглощать или отражать, зависит от ряда физических свойств. Плотные материалы имеют тенденцию поглощать больше солнечной энергии, чем менее плотные материалы. Цвет .

Материалы, поглощающие инфракрасные лучи

Так же, как солнцезащитные очки поглощают более жесткие части солнечного света, многие материалы поглощают более длинные волны инфракрасного (ИК) диапазона, невидимые для человеческого глаза. Некоторые ИК-поглощающие материалы, которые вы видите каждый день, включают оконное стекло, пластик, металлы и дерево. Ваша кожа также поглощает ИК-излучение, позволяя вам почувствовать тепло солнечных лучей или костра. Материалы, поглощающие ИК-излучение, имеют множество применений, например, для улавливания тепла, например, стекла теплицы, или для его блокировки, например, металлических стенок печи.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

К распространенным материалам, поглощающим инфракрасное излучение, относятся окна, пластик, металлы и дерево.

Материалы, поглощающие длины волн ИК-излучения

••• Apriori1 / iStock / Getty Images

Большинство материалов поглощают некоторые длины волн инфракрасного излучения, хотя это может быть лишь небольшой процент. Другие, например водяной пар в атмосфере Земли, поглощают большую часть инфракрасного излучения, исходящего от Солнца. Кроме того, углекислый газ, озон и кислород также поглощают большую часть инфракрасного излучения, позволяя очень мало действительно достигать земли. Помимо водяного пара, водоемы на поверхности Земли также хорошо поглощают инфракрасные волны. Стекло, оргстекло, дерево, кирпич, камень, асфальт и бумага поглощают ИК-излучение. В то время как обычные зеркала с серебряной основой отражают видимые световые волны, позволяя вам видеть свое отражение, они поглощают инфракрасное излучение. Золото, марганец и медь также хорошо поглощают ИК-излучение. Согласно Next Energy News, министерство энергетики США использует эти три металла для разработки наноантенн, которые будут преобразовывать отходящее тепло в виде инфракрасного излучения в электричество.

Материалы, отражающие ИК-излучение

Алюминиевая фольга является сильным отражателем инфракрасного излучения. Размещение листов алюминиевой фольги за радиатором на внешней стене может уменьшить потери тепла через стену. Способность снега отражать ИК-излучение обратно в космос помогает поддерживать температуру на планете. Если ваша машина слишком долго находится на солнце, внутри становится слишком тепло. Частично это происходит из-за улавливания видимых световых волн, но больший эффект — это поглощение ИК-излучения краской автомобиля.

Материалы, излучающие ИК-излучение

Почти все во Вселенной излучает волны инфракрасного излучения, если только температура не достигает минус 273 по Цельсию (минус 460 градусов по Фаренгейту), что является абсолютным нулем и является самой холодной из возможных температур. При этой температуре связи в молекуле перестают вращаться, и у нее больше нет энергии для излучения в виде тепла. Интересно, что материалы, которые хорошо поглощают инфракрасное излучение, также хорошо испускают или излучают это излучение. Даже ледники излучают ИК-излучение, хотя и на гораздо более низком уровне, чем вода. Лампы накаливания излучают много инфракрасного излучения вместе с видимым светом, тогда как новые люминесцентные лампы этого не делают.

Цвет объекта и ИК-поглощение

••• Мигель Анджело Сильва / iStock / Getty Images

Более темные цвета поглощают видимые длины волн солнечного света, а не ИК-лучи. Следовательно, цвет материала не имеет значения для способности материала поглощать инфракрасный свет. Однако это может измениться с развитием новых технологий. Согласно Plastemart, новые пигменты, предназначенные для отражения ИК-излучения, скоро будут поддерживать прохладу в салоне автомобиля.

Что поглощает инфракрасное излучение

Хотя воздух и считается прозрачным для инфракрасного излучения, это не совсем так. При прохождении инфракрасного излучения через воздух, наблюдается некоторое ослабление теплового излучения. Это обусловлено тем, что сухой и чистый воздух практически прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в нем влаги в виде пара, молекул воды (Н₂О), углекислого газа (СО₂), озона (О₃) и других твердых или жидких взвешенных частиц, которые отражают и поглощают инфракрасные лучи, он становится не совсем прозрачной средой и в результате этого поток инфракрасного излучения рассеивается по разным направлениям и ослабевает.

Интенсивность рассеянного излучения изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Оно существенно только в коротковолновой инфракрасной области и быстро уменьшается в более длинноволновой части спектра. Молекулы азота и кислорода в воздухе не поглощают инфракрасное излучение, а ослабляют его лишь в результате рассеяния. Взвешенные частицы пыли так же приводят к рассеиванию инфракрасного излучения, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения, чем больше частицы, тем больше рассеивание. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Например, пары воды, очень сильно поглощают инфракрасное излучение во всей инфракрасной области спектра, а углекислый газ поглощает инфракрасное излучение в средней инфракрасной области.

Вывод: Утверждение, что инфракрасное излучение не поглощается воздухом не соответствует действительности, оно частично поглащается.