Что такое излучение?
×
Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.
Что есть что в ядерной сфере
Андреа Галиндо , Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ
Излучение — это энергия, которая перемещается из одного места в другое в таком виде, который можно описать как волны или частицы. Мы постоянно сталкиваемся с излучением в нашей повседневной жизни. В число знакомых всем источников излучения входят Солнце, микроволновые печи, которые стоят у нас на кухне, и радиоприемники, которые мы слушаем в автомобилях. В основном подобное излучение не причиняет какого-либо вреда нашему здоровью. Но некоторые виды излучения являются опасными. В целом, при более низких дозах излучение связано с меньшими рисками, однако с увеличением дозы они повышаются. Для защиты нашего организма и окружающей среды от вредного воздействия излучения следует принимать различные меры в зависимости от его вида, при этом сохраняя возможность извлекать пользу из его многочисленных применений.
Как можно использовать излучение? Некоторые примеры
- Здравоохранение. Благодаря излучению мы имеем возможность применять специальные медицинские процедуры, например, для лечения рака, и пользоваться методами диагностической визуализации.
- Энергетика. Излучение позволяет нам производить электричество, например, с помощью солнечной энергии и ядерной энергии.
- Окружающая среда и изменение климата. Излучение может быть использовано для очистки сточных вод или для создания новых сортов растений, устойчивых к изменению климата.
- Промышленность и наука. С помощью ядерных методов, основанных на излучении, ученые могут исследовать объекты наследия или создавать материалы с улучшенными характеристиками, например, для автомобильной промышленности.
Если излучение полезно, почему мы должны защищать себя от него?
Излучение имеет множество полезных применений, но при возникновении рисков, связанных с его использованием, следует принимать конкретные меры для защиты людей и окружающей среды. Этот же подход применяется и к любым другим видами деятельности. Разные виды излучения требуют разных мер защиты: его обладающий низкой энергией вид, называемый «неионизирующее излучение», может требовать меньшей защиты и соответствующих мер, чем обладающее более высокой энергией «ионизирующее излучение». В соответствии со своим мандатом МАГАТЭ устанавливает нормы для защиты людей и окружающей среды от ионизирующего излучения при его мирном использовании.
Виды излучения
Неионизирующее излучение
Примерами неионизирующего излучения являются видимый свет, радиоволны и микроволны (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)
Неионизирующее излучение — это излучение более низкой энергии, которое не обладает достаточной мощностью, чтобы отделить электроны от атомов или молекул, находящихся в веществе или в живых организмах. Однако его энергия может заставить эти молекулы вибрировать и таким образом выделять тепло. Например, именно так работают микроволновые печи.
Для большинства людей неионизирующее излучение не представляет риска для здоровья. Однако работникам, которые регулярно контактируют с некоторыми источниками неионизирующего излучения, могут потребоваться специальные меры для защиты, например, от выделяемого тепла.
В число других примеров неионизирующего излучения входят радиоволны и видимый свет. Видимый свет — это то неионизирующее излучение, которое может воспринимать человеческий глаз. Радиоволны — это вид неионизирующего излучения, которое наши глаза и другие органы чувств не воспринимают, а вот радиоприемники способны их улавливать.
Ионизирующее излучение
Примерами ионизирующего излучения являются гамма-излучение, используемое для некоторых видов лечения рака, рентгеновское излучение и излучение, испускаемое радиоактивными материалами, используемыми на атомных электростанциях (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)
Ионизирующее излучение — это вид излучения энергии такой мощности, что оно способно отделять электроны от атомов или молекул, тем самым вызывая изменения на атомном уровне при взаимодействии с веществом, включая живые организмы. Такие изменения обычно сопровождаются образованием ионов (электрически заряженных атомов или молекул) — отсюда и возник термин «ионизирующее» излучение.
В больших дозах ионизирующее излучение может повредить клетки или органы нашего тела или даже привести к смерти. В случае надлежащего использования и в правильных дозах, а также при соблюдении необходимых мер защиты, этот вид излучения имеет множество полезных применений, например, в производстве энергии, в промышленности, в научных исследованиях, в медицинской диагностике и лечении различных заболеваний, таких как рак. Хотя ответственность за регулирование в области использования источников излучения и радиационной защиты лежит на государствах, МАГАТЭ оказывает поддержку законодателям и регулирующим органам через всеобъемлющую систему международных норм безопасности, направленных на защиту работников и пациентов, а также населения и окружающей среды от потенциально вредного воздействия ионизирующего излучения.
Неионизирующее и ионизирующее излучение имеют разную длину волн, что напрямую связано с их энергией. (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ).
Научное объяснение радиоактивного распада и возникающего при этом излучения
Ионизирующее излучение может исходить, например, от нестабильных (радиоактивных) атомов, когда они переходят в более стабильное состояние, высвобождая при этом энергию.
Большинство атомов на Земле стабильны, в основном благодаря уравновешенному и стабильному составу частиц (нейтронов и протонов) в их центре (ядре). Однако в некоторых видах нестабильных атомов число протонов и нейтронов в составе их ядра не позволяет им удерживать эти частицы вместе. Такие нестабильные атомы называются «радиоактивными атомами». При распаде радиоактивных атомов выделяется энергия в виде ионизирующего излучения (например, альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи или нейтроны), которое при контролируемом и безопасном использовании может приносить различную пользу.
Процесс, в ходе которого радиоактивный атом становится более стабильным за счет высвобождения частиц и энергии, называется «радиоактивным распадом». (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)
Каковы наиболее распространенные типы радиоактивного распада? Как мы можем защитить себя от вредного воздействия возникающего в результате излучения?
Существуют различные типы радиоактивного распада, вызывающего ионизирующее излучение, в зависимости от типа частиц или волн, которые испускает ядро, чтобы стать стабильным. Наиболее распространенными типами являются альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи и нейтроны.
Альфа-излучение
Альфа-распад (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)
При альфа-излучении распадающиеся ядра испускают тяжелые, положительно заряженные частицы, чтобы стать более стабильными. Эти частицы не способны проникнуть через нашу кожу и причинить вред, и часто их можно остановить даже при помощи листа бумаги.
Однако в случае попадания альфа-излучающих материалов в организм при дыхании, с пищей или питьем, они могут воздействовать напрямую на внутренние ткани и, следовательно, наносить вред здоровью.
Америций-241, который используется в детекторах дыма по всему миру, является примером атома, распадающегося с испусканием альфа-частиц.
Бета-излучение
Бета-распад (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)
При бета-излучении ядра испускают более мелкие частицы (электроны), которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-частицы, и могут пройти, например, через 1–2 сантиметра воды, в зависимости от их энергии. Как правило, лист алюминия толщиной в несколько миллиметров может остановить бета-излучение.
К нестабильным атомам, испускающим бета-излучение, относятся водород-3 (тритий) и углерод-14. Среди прочего тритий используется, например, в аварийном освещении, для обозначения выходов в темноте. Это связано с тем, что свечение люминесцентного материала возникает под воздействием бета-излучения трития без использования электричества. Углерод-14 используется, например, для определения возраста объектов наследия.
Гамма-излучение
Кобальт-60 используется в лечении рака из-за его способности испускать гамма-излучение, которое может быть использовано для борьбы с опухолями. Упрощенный механизм приведен на рисунке выше. Сначала ядро кобальта-60 испускает бета-излучение, что приводит к его превращению в никель-60 в высокоэнергетическом состоянии (*Ni-60). Ядро в этом состоянии быстро теряет энергию, испуская две гамма-частицы, в результате чего образуется стабильный никель-60 (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ).
Гамма-излучение, которое используется в различных применениях, например, для лечения рака, является электромагнитным излучением, подобным рентгеновскому. Некоторые гамма-лучи проходят через тело человека, не причиняя вреда, в то время как другие поглощаются организмом и могут причинить вред. Толстые стены из бетона или свинца могут снизить интенсивность гамма-излучения до уровней, представляющих меньший риск. Именно поэтому стены процедурных кабинетов радиотерапии в онкологических больницах имеют такую большую толщину.
Нейтроны
Ядерное деление внутри ядерного реактора является примером радиоактивной цепной реакции, поддерживаемой нейтронами (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)
Нейтроны — это относительно массивные частицы, которые являются одним из основных компонентов ядра. Они не имеют заряда и поэтому напрямую не вызывают ионизацию. Но их взаимодействие с атомами вещества может привести к возникновению альфа-, бета-, гамма- или рентгеновского излучения, которое затем приводит к ионизации. Нейтроны обладают проникающей способностью и могут быть остановлены только большими объемами бетона, воды или парафина.
Нейтроны могут быть получены различными способами, например, внутри ядерных реакторов или в процессе ядерных реакций, запущенных обладающими высокой энергией частицами в пучках ускорителей. Нейтроны могут являться значительным источником косвенно ионизирующего излучения.
Какую роль играет МАГАТЭ?
- МАГАТЭ оказывает государствам-членам помощь в использовании ядерных технологий, включая излучение, в здравоохранении, сельском хозяйстве, охране окружающей среды, управлении водными ресурсами, энергетике и промышленности. Для этого МАГАТЭ оказывает помощь в проведении исследований и разработок в области практического использования радиации и радиоактивных источников, а также координирует исследовательскую деятельность и реализует проекты в разных странах по всему миру.
- В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения способных испускать излучение материалов с мирного использования на другие цели.
- Наконец, МАГАТЭ разрабатывает нормы безопасности и руководящие материалы по физической безопасности и обобщает наилучшую практику в области защиты людей, общества и окружающей среды от вредного воздействия ионизирующего излучения.
Материалы по теме
Теперь в открытом доступе: три новых онлайн-курса по радиационной защите пациентов (на англ. языке)
Новый модуль онлайнового обучения по требованиям безопасности МАГАТЭ в области радиационной защиты (на англ. языке)
Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики
Ресурсы по теме
- Излучение в повседневной жизни (на англ. языке)
- Радиационная защита
- Радиационная защита персонала
- Радиационная защита населения
- Радиационная защита пациентов
- Радиационная защита окружающей среды
- Что есть что в ядерной сфере
Излучение Текст научной статьи по специальности «Физика»
В статье рассматриваются основные виды излучения. Приведены некоторые законы распространения лучистой энергии, применяемые для расчета теплообмена в твердых телах.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Ильюшин Ю. В.
Лучистый теплообмен в высокотемпературных вакуумных печах с экранной тепловой изоляцией
Метод расчета теплообмена излучением в топке осесимметричной конфигурации на основе уравнений для компонент суммарного вектора потока лучистой энергии. Система уравнений
Эффекты теплообразования и теплопередачи под действием электрического тока
Исследование полусферических потоков лучистой энергии в топках сложного профиля газотрубного котла
Исследование процесса нагрева металлической (часть 1)
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Излучение»
Пятигорский государственный технологический университет, г. Пятигорск
В статье рассматриваются основные виды излучения. Приведены некоторые законы распространения лучистой энергии, применяемые для расчета теплообмена в твердых тепах.
Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).
Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения разности температур на концах стержня к расстоянию ме^ду ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала. Соотношение ме^ду этими величинами было выведено французским математиком Ж. Фурье и имеет следующий вид:
где q — тепловой поток;
к — коэффициент теплопроводности;
А — площадь поперечного сечения.
Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.
Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин — коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.
* Ассистент кафедры Информатики и информационных технологий.
В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.
Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества.
Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьша-ется при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 К). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств — от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.
Конвекция. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха. Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя.
Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды — радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения — возникают в отсутствие разности температур. Рассмотрим передачу энергии по средствам лучистого обмена более подробно [1].
Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн, которые исходят от тела и распространяются в вакууме со скоростью света с = 3-108. Обычно рассматривается так называемое тепловое излучение, которому соответствуют длины волн от 0,4 до 40 мк. Такие лучи могут поглощаться другими телами, причем при поглощении их лучистая энергия снова переходит в тепловую. Воз-
будителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебания ионов соответствуют излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением электронов, может иметь высокую частоту, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются около своего равновесия значительными силами. При попадании лучистой энергии на какое-либо тело поглощается лишь часть этой энергии; другая ее часть отражается, а некоторая часть проходит сквозь тело. Тела, поглощающие всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно черными. Тела, полностью отражающие падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно белыми, а тела, пропускающие всю падающую на них энергию, -абсолютно прозрачными. Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе не существует. Практически прозрачными телами являются одно-и двухатомные газы — воздух, азот, кислород, водород и др. Твердые тела и жидкости для тепловых лучей непрозрачны. Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в значительной степени зависит от состояния их поверхности: гладкие и полированные поверхности обладают высокой отражательной способностью; шероховатые поверхности, наоборот, обладают высокой поглощательной способностью. Наиболее высокой поглощательной способностью, близкой к абсолютно черному телу, обладает сажа, которая поглощает 90-96 % падающей на нее лучистой энергии. В металлах многие электроны являются свободными. Поэтому в этом случае нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов и имеет волны различной частоты и в том числе волны низкой частоты. Помимо волновых свойств, излучение обладает также и корпускулярными свойствами. Корпускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными дискретными порциями — квантами света или фотонами. Испускаемый фотон — частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой. Прохождение фотонов через вещество есть процесс поглощения и последующего испускания энергии фотонов атомами и молекулами этого вещества.
Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства — в волнах. Соответственно этому излучение характеризуется длиной волны (X) или частотой колебаний (и = с / X).
Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны. Большинство твердых и жидких тел имеет
сплошной спектр излучения, т.е. излучает энергию всех длин волн в интервале от 0 до ®. К числу твердых тел, имеющих сплошной спектр излучения относятся непроводники и проводники электричества, а также различные металлы в окисленном состоянии. Некоторые тела излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, т.е. испускают энергию с прерывистым спектром. К ним относятся чистые металлы и газы. Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности, а для газов — еще от толщины слоя и давления. Большинство встречающихся в природе и технике твердых и жидких тел имеет значительную поглощательную и излучательную способность. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Газообразные тела имеют значительно меньшее излучение, чем твердые и жидкие тела. Поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер.
Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Изменение температуры тела вызывает не только изменение абсолютной величины интенсивности излучения, но сопровождается еще и изменением спектрального состава или «цвета» излучения. С повышением температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволновой части спектра. Зависимость излучения от температуры значительно большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Поэтому при низких температурах преобладающую роль может играть теплообмен за счет конвекции и теплопроводности, а при высоких — основным видом переноса тепла может быть тепловое излучение.
Виды лучистых потоков
Тело излучает энергию при данной температуре в виде спектра. Энергия излучения в единицу времени, относящаяся к узкому интервалу изменений длин волн от А до X + йк, называется потоком монохроматического, спектрального или однородного излучения (Оі). Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком (О) [2].
Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела, называется плотностью интегрального излучения:
где йО — лучистый поток, вт, испускаемый с элемента поверхности йР, м2’.
Лучистый поток по всей поверхности можно выразить как:
Здесь F — полная поверхность тела, м2.
Различают понятия сферического и полусферического излучения, определяемые как интегральные величины от яркости излучения соответственно по сферическому и полусферическому телесным углам.
Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется поглощенным излучением. При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию. Плотность поглощенной энергии равна:
Здесь А — коэффициент поглощения.
Для абсолютно черных тел А = 1. Тело, поглощающее все падающие на него лучи, воспринимается зрением как черное тело. Если поверхность поглощает все лучи, кроме видимых световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам она близка к абсолютно черному телу, поскольку имеет высокую поглощающую способность (например, для льда и снега А = 0,95 ^ 0,98).
где R — коэффициент отражения.
Если R = 1 и процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики, то поверхность тела называют зеркальной; при диффузном отражении поверхность называют абсолютно белой. Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется про-пускательным излучением:
где D — коэффициент проницаемости.
Тела, у которых D = 1, называются проницаемыми, прозрачными или диатермичными телами (тонкие слои сухого воздуха, одноатомных газов). Для твердых и жидких тел принимается D = 0, так как практически вследствие значительной поглощательной способности они поглощают лучистую энергию в тонком поверхностном слое.
Совокупные процессы взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах различных тел называются лучистым теплообменом, причем тела, входящие в данную излучающую систему, могут иметь одинаковую температуру. Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с другими телами, согласно закону сохранения энергии можно составить следующие уравнения теплового баланса. Для плотности падающего излучения:
^пад -Ё’погл + ЕОТр + -Ё’проп
Уравнение теплового баланса может быть записано также в форме:
если предыдущую зависимость поделить на Епад и учесть предыдущие соотношения.
Сумма собственного излучения и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется эффективным излучением. Плотность потока эффективного излучения выражается зависимостью:
Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры других окружающих его тел. Кроме того, оно зависит от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве [3].
Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство. Результирующее излучение может быть определено двумя способами. Относительно условной поверхности, находящейся вблизи тела:
^рез Е ¿’погл Е АЕпад
Второй способ определения плотности результирующего потока приводит к соотношению:
Между результирующим и эффективным излучениями можно установить связь. Эффективное излучение:
а падающее излучение:
Заменив Епад в первой зависимости второй, получим:
Для черного тела А = 1 и £эфф = Е0.
Из изложенного следует, что все виды полусферического излучения, кроме собственного излучения, являются линейными функциями падающего излучения. Собственное излучение объединяется и увязывается с другими видами излучения через эффективное излучение.
Тела не только излучают, но также поглощают и отражают энергию, излучаемую окружающими телами.
Количество тепла, отданного телом с абсолютной температурой Т1 окружающим его более холодным телам с абсолютной температурой Т2, составляет:
Значительной поглощательной и лучеиспускательной способностью обладают многоатомные газы, в частности двуокись углерода (CO2), водяной пар (H2O), сернистый ангидрид (SO2), аммиак (H3N) и др.
В отличие от твердых тел, газы способны поглощать и излучать энергию лишь в определенных интервалах длин волн. Для лучей с другими длинами волн газы прозрачны и энергия их излучения равна нулю.
В газах поглощение и излучение происходят во всем объеме, вследствие чего поглощательная и лучеиспускательная способности газа зависят от формы газового слоя (т.е. формы сосуда, в котором находится газ), а также от его толщины и парциального давления излучающего газа в газовой смеси.
Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием
Передача тепла лучеиспусканием обычно сопровождается одновременной передачей тепла конвекцией. Пусть от стенки с абсолютной температурой Тст тепло передается к среде с абсолютной температурой Т (соответствующие температуры в °С будут tcm и t) [4]. Тепло, передаваемое конвекцией, составит (ак — коэффициент теплоотдачи при конвекции):
Теплообмен лучеиспусканием между телами
где е — приведенная степень черноты системы;
^ — условная расчетная поверхность теплообмена.
а тепло, передаваемое лучеиспусканием:
Общее количество передаваемого тепла равно:
Излучение
На прошлых уроках вы познакомились с такими видами теплопередачи, как тепловодность и конвекция. И в первом, и во втором случае перенос энергии происходил за счет движения частиц или их групп. Значит, если нет вещества, то эти виды теплопередачи невозможны.
Основной источник тепла на нашей планете — это Солнце. Оно находится от нас на расстоянии $15 \cdot 10^7 \space км$. Это пространство содержит очень разреженное вещество, оно близко к вакууму. В такой ситуации невозможна ни конвекция, ни теплопроводность. Каким образом тогда передается тепло от Солнца?
Изучение — вот ответ на наш вопрос. На данном уроке мы познакомимся с процессом излучения на опыте, узнаем его свойства и применение.
Выявление процесса излучения
Рассмотрим следующий опыт (рисунок 1). У нас есть жидкостный манометр и теплоприемник. Соединим их резиновой трубкой между собой.
Нагреем до высокой температуры небольшой кусок металла. С помощью пинцета аккуратно поднесем его к темной стороне теплоприемника (рисунок 1, а).
Уровень жидкости в колене, соединенном с теплоприемником, снизился. Это значит, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился.
Мы не воздействовали на теплоприемник никаким другим образом. Очевидно, что ему была передана энергия от нагретого куска металла.
Теплопроводность? Нет. Ведь мы не докасались куском металла до теплоприемника. Конвекция? Тоже нет. Нагретое тело находилось рядом с теплоприемником, но не под ним. Передача энергии в данном случае осуществлялась путем излучения.
Излучение — это вид теплопередачи, при котором перенос энергии происходит преимущественно без переноса вещества.
Этот перенос энергии осуществляется посредством электромагнитных волн. Об этом понятии вы подробнее узнаете в уроках для 9 класса.
Свойства излучения
- Передача энергии путем излучения отличается от других видов теплопередачи.
Излучение может осуществляться в полном вакууме.
- Все тела излучают энергию: и сильно нагретые, и слабо.
Чем выше температура тела, тем больше энергии оно передаёт путем излучения.
- Излучаемая энергия частично поглощается окружающими телами и частично отражается
- При поглощении энергии тела будут нагреваться по-разному. Это зависит от их поверхности.
Вернемся к нашему опыту (рисунок ). Сначала мы повернули теплоприемник к куску металла темной стороной. Теперь повернем его светлой стороной (рисунок 1, б). Теперь столбик жидкости в колене манометра повысился.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела со светлой поверхностью.
- Тела, которые излучают энергию, охлаждаются тоже по-разному.
Тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью.
Например, в белом чайнике горячая вода дольше сохранит высокую температуру, чем в черном.
Применение
Солнечное излучение используют для того, чтобы добыть использовать солнечную энергию. Солнечные батареи (рисунок 3) позволяют аккумулировать солнечную энергию, преобразовывать ее для дальнейшего использования человеком.
Излучение применяют для сушки и нагрева материалов, в приборах ночного видения, в медицине. Далее во время обучения вы более подробно рассмотрите природу этого явления.
Что такое у излучение в физике
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Наша галактика и другие галактики
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
«Красное смещение» в спектрах галактик
Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
Медиаматериалы