Теплове випромінювання
Характеристики теплового випромінювання
Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання тіл, зумовлене збудженням атомів і молекул під час співударів процесі їх теплового руху. Кожне тіло, температура якого вище ніж 0°К являється джерелом теплового випромінювання. При тепловому випромінюванні енергія від одного тіла передається до іншого за допомогою випромінювання і поглинання електромагнітних хвиль. Потужність теплового випромінювання людини сягає 100Вт.
Розглянемо кількісні характеристики теплового випромінювання.
Середню потужність випромінювання за час значно більший періоду світлових коливань приймають за потік випромінювання 
. Потік енергії, що випромінюється 1м поверхні тіла, називається енергетичною світимістю , або випромінювальною здатністю R. Вона виражається уВт/м2.
Нагріте тіло випромінює хвилі різної довжини хвилі. Виділимо певний інтервал довжини хвилі від до . Енергетична світимість, що відповідає цьому інтервалу, пропорційна його ширині.
|
|
|
тут – спектральна густина енергетичної світимості. Проінтегрувавши знаходимо повну енергетичну світимість у всьому інтервалі довжин хвиль:
|
|
|
Здатність тіла поглинати енергію випромінювання характеризується коефіцієнтом поглинання, який рівний відношенню поглинутого тілом потоку випромінювання до падаючого потоку:
|
|
|
Так як коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі, то потрібно ввести поняття монохроматичного коефіцієнта поглинання:
|
|
|
Закони випромінювання
Тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює α=1 всіх частот називається абсолютно чорним. Сірим називається тіло, коефіцієнт поглинання якого менше від 1. Для тіла людини вважають .
Згідно закону Кірхгофа відношення спектральної густини енергетичної світимості до монохроматичного коефіцієнта поглинання для всіх тіл при даній температурі є постійна величина, яка рівна спектральній густині енергетичної світимості абсолютно чорного тіла:
|
|
|
Тоді отримуємо:
|
|
|
Звідси слідує, що більше випромінює енергії те тіло, яке більше поглинає.
Зв’язок між енергетичною світністю абсолютно чорного тіла і температурою встановлює закон Стефана-Больцмана:
|
|
|
Де – постійна Стефана-Больцмана,
Енергетична світимість абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степені його температури.
Якщо випромінювальне тіло не являється чорним, то , де , коефіцієнт випромінювання дорівнює добутку Стефана-Больцмана на коефіцієнт , який менший за одиницю.
На рис. 6.1 показана залежність спектральної густини енергетичної світимості від довжини хвилі для різних температур.
Довжина хвилі, на яку припадає максимум енергетичної світимості визначається за законом зміщення Віна:
|
|
|
тут – постійна Віна,
Із збільшенням температури, максимум енергетичної світимості зміщується в бік коротких довжин хвиль.
У кінці минулого століття був зроблений ряд спроб, щоб отримати формулу, що виражає густину енергетичної світимості. абсолютно чорного тіла як функцію довжини хвилі і абсолютної температури Т:
|
|
|
На основі уявлень про квантовий характер теплового випромінювання (електромагнітна енергія може випромінюватися окремими порціями чи квантами) М.Планк отримав наступний вираз для густини енергетичної світимості абсолютно чорного тіла:
|
|
|
де – довжина хвилі, – абсолютна температура, – швидкість світла у вакуумі, – постійна Больцмана .
Рис. 1
Застосування інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювання у медицині
Температура тіла людини та її розподіл є важливими характеристиками організму, тому вона може служити у ряді випадків діагностичним показником. Для поверхні шкіри людини, яка повністю поглинає інфрачервоне випромінювання і згідно закону Кірхгофа його випромінює,
Закон Стефана-Больцмана та закон Зміщення Віна становлять основу медичної термографії, яка дозволяє проводити вимірювання температури тіла без фізичного контакту з ним і визначає температуру різних його ділянок з точністю до декількох десятих Кельвіна. Важливість отриманої інформації пояснюється тим, що температура шкіри у даній точці залежить від локальних клітинних процесів і від кровопостачання даної ділянки тіла. Термографію використовували для ранньої діагностики раку грудей (проте тепер її застосування викликає сумніви) для локалізації і визначення ступені порушень при артриті, для визначення глибини порушень тканин при обмороженнях і опіках і для виявлення різноманітних порушень периферичного кровообігу – таких як венозний тромбоз і т.п.
Фотографування в інфрачервоних променях сприяє діагностуванню шкірних та судинних захворювань.
Ультрафіолетове випромінювання охоплює область довжин хвиль від 380 нм (межа видимого світла) і до 10 нм (межа рентгенівського випромінювання). Воно підрозділяється на дальнє (200-10 нм) і ближнє (380-200 нм)
Ультрафіолетове випромінювання (УФ) поглинається склом, але при довжині хвилі 200 нм проходить через кварц, кам’яну сіль і спеціальне скло. При довжинах <200 нм випромінювання поглинається тонким шаром довільної речовини, навіть повітрям.
У тканини організму УФ проникає на 0, 1-1 мм і викликає при цьому сильну біологічну реакцію, що проявляється у вигляді еритеми.
Еритемою називають інтенсивне почервоніння шкіри, яке проявляється через 6-12 годин після опромінення, пізніше воно переходить у світло-коричневу пігментацію – загар.
Виділяють три зони УФ:
1. Зона А – антирахітна. Довжина хвилі від 400 до 315 нм; відрізняється зміцнюючою і загартовуючою організм дією. Використовується в гігієнічних і профілактичних цілях.
2. Зона В – еритемна. Довжина хвилі від 315 до 280 нм;, що характеризується еритемною дією, найбільше виражена при довжині хвилі 296, 7 нм. Використовується з лікувальною метою.
3. Зона С – бактерицидна. Довжина хвилі від 280 до 200 нм, що відрізняється бактерицидною дією, яка найбільше виражена при довжині хвилі 253, 7 нм. Використовується в якості засобів дезинфекції.
З інших біологічних ефектів УФ опромінення, слід відмітити утворення вітаміну Д, який сприяє всмоктуванню з кишечника і засвоєння кальцію, що входить у склад кісток і виконує ряд суттєвих фізіологічних функцій. При недостатній кількості вітаміну Д, кальцій, що входить у склад їжі не засвоюється і потреба у ньому відновлюється за рахунок кальцію костей, що приводить до рахіту. Вітамін Д міститься у м’ясі і жирі тварин, проте він може утворюватись і у самому організмі під дією УФ з довжинами хвиль від 280 до 315 нм.
Загибель стафілококів відбувається при довжинах хвиль ~265 нм.
