Открытие ИК-излучения

Думаю, вам будет интересно узнать об истории открытия ИК-излучения и об ученых, причастных к этому великому открытию. Эти фундаментальные принципы и свойства инфракрасного излучения сейчас используются во всех современных инфракрасных тепловизорах.

Гипотеза о существовании невидимых «тепловых» лучей является весьма древней. Еще римский философ-материалист Тит Лукрецкий Кар, живший до нашей эры, в своем сочинении «О природе вещей» писал:

[quote align=»center»]
Может быть, также небес светильник розовый — Солнце
Множеством жарких огней обладает, невидимых нами,
Что окружает его совершенно без всякого блеска,
Лишь умножая своей теплотою лучей его силу.
[/quote]

 

На таком философском поэтическом уровне представления об излучении оставались в основном вплоть до XVII в., когда эксперимент стал составной частью науки и начались систематическое исследование теплового излучения. В последней четверти XVIII в. широкое применение паровых машин в металлургической и химической промышленности, тесно связанных с тепловыми процессами, стимулировало развитие учения о теплоте.

Предыстория (1777 — 1800 г.г.)

Впервые понятие о тепловом излучении было введено выдающимся швед­ским химиком Карлом Шееле, посвятившим свойствам «лучистой теплоты» отдельную главу в «Химическом трактате о воздухе и огне» (1777). В своих наблюдениях теплового излучения Шееле не применял термометрических измерений, поэтому его опыты носили чисто качественный характер.

Через два года после опубликования трактата Шееле посмертно вышла «Пирометрия» немецкого математика и физика Иоганна Ламберта. В ней были описаны опыты, согласующиеся с наблюдениями Шееле. Ламберт впервые экспериментально доказал, что тепловые лучи распространяются прямоли­нейно и что их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Понятие «лучистая теплота» продержалось в литературе в течение всего XIX в. Даже в первой четверти XX в. профессор О. Д. Хвольсон вел борьбу против этого укоренившегося в учебниках физики термина как устаревшего, не соответствующего новейшему развитию этой науки. Правда, Хвольсон отказывался не только от термина «лучистая теплота», но и от принятого в но­вейшей литературе термина «тепловое излучение».

И Шееле, и Ламберт видели и подчеркивали сходство между тепловыми и световыми лучами (прямолинейное распространение, отражение), но о тож­дестве их не могло быть и речи. Лишь дальнейшее развитие теории теплового излучения и ее подтверждение экспериментальными данными привело к бо­лее глубокому пониманию взаимосвязи теплового и светового излучений.

В 1790 г. появилось сочинение «Опыт об огне» профессора Женевской академии, а в дальнейшем и ее президента Марка Пикте, в котором описы­вался знаменитый опыт с «отражением холода». Пикте установил два вогну­тых зеркала из полированного олова диаметром 30,5 см и фокусным расстоя­нием 11,4 см на расстоянии 365 см друг от друга. Помещая в фокусе одного зеркала нагретый шар диаметром 5 см, Пикте обнаружил, что показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, на 10° превышают показания термометра, установленного не в фокусе. После того как шарик термометра был покрыт сажей, термометр показал большее повышение температуры. При применении стеклянных зеркал вместо металлических ничего подобного не замечалось. Пикте пытался также измерить скорость распространения теплового излуче­ния, помещая для этого стеклянную пластину между зеркалами, и затем быстро удаляя ее, но, разумеется, безрезультатно.

При обсуждении своих опытов с другими учеными у Пикте возник воп­рос, не может ли отражаться также и холод? Вначале это предположение показалось Пикте нелепым. «Холод — эго только недостаток теплоты, а от­рицание не может отражаться». Для доказательства этого Пикте восполь­зовался своей установкой с вогнутыми зеркалами и поместил в фокус одного зеркала сосуд со снегом. Тотчас же показания термометра, установленного в фокусе другого зеркала, снизились на несколько градусов относительно температуры окружающего воздуха. После того, как снег был полит азотной кислотой, показания термометра уменьшились еще на 5…6°С.

Результат опыта поразил Пикте. В дальнейшем он его объяснил тем, что если во взаимодействии находятся два тела неодинаковой температуры, то более теплое тело отдает теплоту и его температура понижается, а более хо­лодное принимает теплоту и повышает свою температуру. Когда температура обоих тел одинакова, никакой отдачи и поглощения тепла не существует.

Объяснением Пикте устранялось понятие «лучей холода» и подчерки­валось, что «отражение холода» только кажущееся, что в действительности при замене теплого шара сосудом со снегом происходит отражение теплового излучения. Это объяснение исходило из позиции статического равновесия, одностороннего теплового излучения только в направлении от теплого те­ла к холодному.

Профессор Женевской Академии Пьер Прево в 1771 г. высказал мысль о том, что тела, имеющие одинаковую температуру, все же обмениваются излучением. Он первый показал, что энергетическое равновесное состоя­ние носит динамический характер. Согласно Прево всякое нагретое тело ис­пускает тепловые лучи, подобно тому, как всякое светящееся тело испускает световые лучи. Тепловые лучи представляют собой тепловые частицы, дви­жущиеся в пространстве прямолинейно с большой скоростью. Все простран­ство пронизано этими лучами из тепловых частиц. Каждую точку на поверх­ности нагретого тела можно рассматривать как центр, из которого испускают­ся тепловые частицы во всех направлениях и к которому эти частицы прите­кают со всех сторон. Иными словами, каждое тело постоянно излучает тепло­ту и получает благодаря такому же излучению теплоту от окружающих тел. Отношение между этими количествами теплоты определяет температуру тела. По образному выражению Прево, «любое тело ведет себя как озеро, в котором от дождя прибывает столько же воды, сколько ее убывает благодаря происходящему в то же время испарению».

Открыте Уильямя Гершеля (1800 г.)

Фридрих Вильгельм (Уильям) Гершель родился в Ганновере (Германия) 15 ноября 1738 г. С детства занимался музыкой и играл в оркестре, как и его отец. В возрасте 19 лет перебрался в Англию, где приобрёл известность как музыкант и преподаватель музыки. Интерес к музыкальной теории привёл Гершеля к математике. От неё увлечение перешло на оптику, через которую он познакомился с астрономией. Не имея средств для покупки телескопа, Гершель стал сам шлифовать зеркала и конструировать телескопы, а в дальнейшем сам изготавливал оптические приборы как для собственных наблюдений, так и на продажу. В области астрономии Гершелю принадлежат множество достижений и открытий: изготовление самого большого телескопа своего времени, открытие планеты Уран, открытие спутников Сатурна и Урана, открытие двойных и кратных звёзд, составление каталогов звездных скоплений и туманностей. На сайте вы найдете отдельную статью о выдающейся личности Уильяма Гершеля.

В начале 1800 г. Гершель заметил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры телескопов, по-разному поглощают свет и тепло солнечных лучей. Это показалось Гершелю любопытным, и он провел серию опытов для того, чтобы уточнить распределение интенсивности теплового воздействия по спектру солнечных лучей, получаемому посредством стеклянной призмы. Помещая чувствительный термометр с зачерненным шариком и каж­дую цветную полосу солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показа­ния термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой полосы к красной. У него возникла мысль, что возрастающее тепловое действие лу­чей не должно оборваться на красных лучах, дающих максимум теплоты. Впервые в истории науки Гершель стал измерять температуру за пределами спектра и обнаружил существование невидимых лучей, «обладающих наи­большей нагревательной силой».

Гершель объяснил это явление невидимым тепловым излучением.

О своем открытии Гершель сделал сообщение на заседании Лондонского Королевского общества 27 марта 1800 г. Спустя примерно месяц он сделал второе сообщение о проведенных двадцати экспериментах, которые показали, что невидимые тепловые лучи отражаются и преломляются так же, как и ви­димый свет. В этих экспериментах Гершель использовал металлическое зер­кало, установленное под углом 45° за пределами красной полосы спектра, а также стальное вогнутое зеркало и стеклянную призму.

Придерживаясь корпускулярной теории света Ньютона, он утверждал, что «лучистая теплота идентична со светом». В процессе дальнейших иссле­дований свойств теплового излучения Гершель стал сомневаться в правиль­ности этого вывода и уже в третьем сообщении (15 мая 1800 г.) пытался дока­зать «поразительные существенные различия между светом и теплотой». В частности, он отмечал различия в прохождении лучей через разные ве­щества. «Оба вида лучей, — писал Гершель, — подчинены различным зако­нам сродства, и, следовательно, они по своей природе различны, несмотря на то, что имеют большое подобие в отношении преломления и отражения».

Любопытно, что за пределами собственно астрономии и ближайших к ней областей физики научные взгляды Гершеля были весьма причудливы. Он, например, полагал, что все планеты обитаемы, что под горячей атмосферой Солнца находится плотный слой облаков, а ниже — твердая поверхность планетарного типа, и т. п.

Продолжение исследований

Открытие Гершеля произвело сильное впечатление на его современников, однако, недостаточная убедительность некоторых его опытов и сомнения са­мого Гершеля послужили поводом для противоречивых толкований его от­крытия. Наиболее рьяным противником идеи существования невидимого из­лучения, способного производить тепловые эффекты, выступил английский физик Джон Лесли — профессор Эдинбургского университета. Он утверждал, что понятие о невидимых лучах содержит в себе внутреннее противоречие и считал, что «воображаемые невидимые солнечные лучи являются ничем иным, как нагретым воздухом, окружающим светящееся тело».

Для проверки результатов Гершеля Лесли самостоятельно провел ана­логичный эксперимент, разложив солнечный спектр с помощью призмы из флинтгласа. Измерение температуры производилось специально сконструи­рованным для этого эксперимента дифференциальным ртутным термометром.

Лесли обнаружил увеличение показаний термометра по мере продвиже­ния от голубой полосы спектра к красной, где температура была максималь­ной. За пределами же красной полосы не было замечено никакого увеличения температуры. Лесли утверждал, что опыты Гершеля выполнены недостаточно тщательно, подвержены многочисленным неточностям и вообще представ­ляются «неразумной затеей».

Лесли поддержал ректор Эдинбургского университета Давид Брюстер, который считал, что в опытах Гершеля нагревались сами призмы и испуска­ли тепловые лучи. Критика Лесли, несмотря на ошибочное отрицание реаль­ного существования инфракрасных лучей, имела и положительное значение. Она вскрыла непоследовательность в рассуждениях Гершеля и явилась толч­ком для развязывания дискуссии, способствовавшей выяснению природы теп­лового излучения.

Одним из первых признал открытие Гершеля Пьер Прево. Он считал его решительным доказательством аналогии между световыми и тепловыми лу­чами. «Различие между прохождением света и теплоты сквозь тела, — писал он, — не свидетельствуют о различии или тождестве света и теплоты». Идеи Гершеля были поддержаны также английским физиком Томасом Юнгом, который уже в 1802 г. высказал предположение о том, что световые лучи от­личаются от тепловых лишь частотой колебаний. По его мнению, открытие Гершеля о меньшей преломляемости невидимых лучей по сравнению с види­мыми явилось крупнейшим со времен Ньютона.

Вслед за открытием Гершеля целая плеяда исследователей начала искать положение участка в спектре, соответствующего максимуму теплового эф­фекта. Среди них следует назвать Энглфилда, Вюнша, Берара и Поуэла. Большую ясность в противоречивые результаты, полученные ими, внес Зеебек, показав, что в призмах из флинтгласа такой максимум всегда обнаруживается за пределами красного конца спектра.

К 1830 г. опыты Гершеля были повторены в достаточном количестве для того, чтобы считать окончательно установленным факт существования невидимых лучей, расположенных за красной частью видимого солнечного спектра. Эти лучи позже были названы французским физиком Беккерелем инфракрасными.

Использованы материалы: Википедия; Розенберг Ф. “История физики”; Криксунов Л.З. “Справочник по основам инфракрасной техники”.