Излучение раскаленных тел

Самый «универсальный» способ заставить тело испускать свет-сильно нагреть его. Так излучают свет сильно нагретый металлический пруток, спираль электроплитки, электрическая лампочка, Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества. Чем выше температура, тем более энергично движутся атомы в веществе. При достаточно сильном нагреве атомы любого вещества, сталкиваясь друг с другом, способны возбуждаться, при этом находящиеся в них электроны приобретают дополнительную энергию. Чем выше температура, тем с большей силой сталкиваются атомы, тем больше энергии способны запасти электроны. Однако долго «излишек» энергии они удержать не могут: через очень короткое время (а практически — мгновенно) электроны теряют запасенную энергию, возвращая ее в виде фотона — «частицы» света (по-гречески «фотос» — родительный падеж слова «фос» — «свет»). Разные электроны разных атомов при нагреве запасают (а затем испускают) разную энергию. Поэтому нагретое тело излучает фотоны разного цвета. Чем меньше энергия фотона, тем «краснее» свет, а чем энергия выше, тем свет «голубее». При очень слабом нагреве вещества фотоны имеют такую низкую энергию, что глаз их не воспринимает: они «греют», но не светят. Свет, состоящий из таких фотонов, называется инфракрасным, потому что он находится за пределами красной области спектра и невидим (на латыни infra — «под», инфракрасный свет как бы находится «под» видимым светом). Много инфракрасных лучей испускает, например, хорошо протопленная печка.

Если постепенно повышать температуру тела, оно начинает светиться, и по цвету его свечения опытный металлург может определить температуру раскаленного металла. При +500… +600 °C появляется темно-красный цвет, чуть заметный в темноте, при +600… +800 °C цвет становится вишнево-красным, при +800… +1000 °C — ярко-красным, при +1000… +1100 °C — желтым, а если вещество нагреть еще сильнее, оно начнет испускать белый свет (недаром говорят: «довести до белого каления»). Конечно, сильно раскалить можно далеко не все тела. Даже многие металлы сгорят на воздухе намного раньше. И тем более это не получится с деревом или пластмассой. Возьмем, например, спираль от электроплитки (она сделана из тугоплавкого сплава) и начнем пропускать через нее все более сильный электрический ток. Сначала спираль остается темной, хотя и горячей, а потом начинает светиться. Сперва свет будет чуть заметен в темноте («красное каление»). Затем, с повышением температуры, цвет станет ярко-красным, потом желтым, а когда вещество будет нагрето «до белого каления» (как угли электрической дуги), в его излучении появятся все цвета радуги. Правда, спираль плитки до белого каления нагреть не удастся — сплав никеля и хрома (нихром), из которого она сделана, еше раньше расплавится или сгорит на воздухе. А вот тугоплавкую и химически стойкую платину можно нагреть очень сильно; на расплавленную платину (+1770 °C) невозможно даже смотреть с близкого расстояния — настолько яркий свет она испускает. Еще сильнее — до многих тысяч градусов можно нагреть вещества в газообразном состоянии. Сильно раскаленное тело, кроме инфракрасных и видимых лучей, испускает также ультрафиолетовые лучи (они находятся за пределами фиолетовой части спектра; на латыни ultra — «сверх»). Чем выше температура тела, тем оно ярче светит и тем больше испускает ультрафиолетовых лучей. Так светятся все нагретые тела, в том числе наше Солнце и звезды; по цвету звезды астрономы могут определить ее температуру (вероятно, вам не надо говорить, что Луна и планеты сами не светятся, а лишь отражают солнечный свет).

Когда горит свеча или факел, светятся мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Их температура не так высока, поэтому пламя красноватое. В пламени природного газа, если воздуха для горения достаточно, раскаленных частичек угля практически нет, поэтому такое пламя почти бесцветное. Когда в XIX веке появились первые газовые фонари, их пламенем сильно нагревали специальные «калильные сетки», изготовленные из оксидов тория и других редких металлов. Раскаленные сетки испускали яркий свет, которым освещали по ночам улицы. Вечером специальные рабочие должны были зажечь каждый фонарь, а утром — погасить его. Конечно, это было неудобно. С появлением достаточно дешевой электроэнергии инженеры, разрабатывая конструкцию электрической лампочки, перебрали массу различных материалов для светящегося волоска: ведь чем сильнее его нагреть током, тем ярче он будет светиться, тем ближе его свет будет к дневному. После многих неудач остановились на тугоплавком металле вольфраме, который плавится при очень высокой температуре (+3420 °C). Но это все равно намного меньше, чем температура поверхности Солнца (+6000 °C). Кроме того, спираль нельзя очень сильно нагревать, так как задолго до своего плавления вольфрам начинает испаряться и лампочка быстро перегорает. Первые лампочки светили тусклым красноватым светом, а срок службы у них измерялся всего лишь десятками часов. Чтобы поднять температуру спирали, лампочки стали заполнять газами, которые с вольфрамом не реагируют. Молекулы газов чисто механически мешают атомам вольфрама покидать спираль. Чем тяжелее молекулы газа, тем лучше они справляются со своими обязанностями. Современные криптоновые лампочки светят намного ярче, а гореть могут тысячи часов (такие лампочки легко отличить по их грибовидной форме).

Однако и это не удовлетворило ученых. Они научились «залечивать» вольфрамовую спираль в том месте, где она становится тоньше и вот-вот может перегореть (как известно, «где тонко, там и рвется»). Конечно, никто лампочку для этого не разбирает: «лекарство» закладывают в нее еще на заводе. Это «лекарство» — крошечный кристаллик обыкновенного иода, водно-спиртовый раствор которого есть в каждой домашней аптечке. Как же иод «лечит» раскаленную спираль? Химики обнаружили, что если в лампу ввести немного йодных паров, они образуют с атомами вольфрама, которые уже покинули спираль, летучие химические соединения. Когда эти соединения случайно оказываются вблизи раскаленной спирали, они от сильного жара распадаются, атомы вольфрама возвращаются куда им положено — на спираль, а молекулы иода, оставаясь в газовой фазе, начинают искать новых «беглецов», чтобы водворить их на прежнее место. Благодаря этой хитрости температуру вольфрамовой спирали в таких лампах (их еще называют галогенными) можно значительно повысить. Вы, возможно, видели, насколько ярче горят галогенные лампы (например, в фарах новых моделей автомобилей, в кинопроекторах) по сравнению с обычными.

Кстати, с помощью такого «иодидного» метода сейчас получают некоторые металлы очень высокой степени чистоты. Для этого загрязненный металл нагревают в парах иода, при этом образуется летучее соединение иода только с атомами данного металла. Полученное газообразное соединение переносят в другую часть реактора, где его вводят в контакте раскаленной проволокой из того же металла, но только предварительно хорошо очищенного. Когда летучее соединение металла с иодом начинает на этой проволоке разлагаться, выделяющиеся пары иода отводят в то место реактора, где находится загрязненный металл, а на проволоке начинают расти кристаллы выделившегося металла очень высокой чистоты.

Возбуждать электроны в атомах, чтобы они начали испускать свет, можно и по-другому. Например, в лампах дневного света свет испускают ртутные пары, а энергию атомы ртути получают за счет электрического разряда. Если трубку для такой лампы сделать из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовый свет, то лампа будет гореть бледно-синим светом, испуская также невидимые ультрафиолетовые лучи, которые убивают микробов. Такие лампы называют бактерицидными, их устанавливают в больницах и поликлиниках и периодически включают для стерилизации помещений.

Если трубку для лампы сделать из обычного стекла, но покрыть ее изнутри специальным белым порошком — люминофором (о люминофорах мы еще поговорим), то этот порошок, поглощая вредный для глаз ультрафиолет, сам начнет светиться белым светом. Иногда этот свет имеет приятный желтоватый оттенок, который придает ему сходство с солнечным светом, соответственно бывают люминесцентные лампы дневного, белого, тепло-белого и холодно-белого света. Эти лампы значительно экономичнее ламп накаливания: современная 11-ваттная люминесцентная лампа дает света столько же, сколько 75-ваттная лампа накаливания! Срок службы люминесцентных ламп также в несколько раз больше. Еще одно преимущество — давление паров ртути в люминесцентной лампе низкое, поэтому ее трубка чуть теплая, случайно до нее дотронувшись, невозможно обжечься, значит, уменьшается опасность возгорания или оплавления пластмассового светильника. Но есть у люминесцентных ламп и неприятная особенность: в них содержится немного ртути, и когда такие лампы просто выбрасывают на свалку, где они бьются, это приводит к загрязнению воздуха и почвы ядовитым металлом.

Если к парам ртути в лампе добавить под давлением инертный газ, а трубку сделать из тугоплавкого кварцевого стекла, можно значительно повысить температуру и получить лампу типа «горное солнце». Именно такими лампами нас облучают в поликлиниках, когда врач назначает «кварц». Сейчас кварцевые ультрафиолетовые лампы можно купить в магазине и использовать для загара в зимнее время (особенно в северных районах страны, где мало естественного солнечного ультрафиолета). Однако необходимо очень строго придерживаться инструкции, чтобы не получить ожога (особенно надо беречь глаза), а еще лучше — проконсультироваться с врачом: не всем искусственный ультрафиолет полезен.

Ртутные лампы высокого давления, наподобие тех, что применяют в кабинетах физиотерапии, исправно работают и для освещения улиц. Это двойные лампы: внутри у них кварцевая лампа, а снаружи — большой стеклянный баллон, также покрытый изнутри люминофором, который излучает свет, несколько напоминающий дневной. Такие лампы могут иметь мощность в десятки киловатт; их используют для освещения площадей, стадионов, железнодорожных узлов — везде, где требуется создать хорошее освещение на большой площади. Для этой цели используют также ксеноновые лампы сверхвысокого давления (рис. 6.1). В такой лампе электрический разряд создается между двумя массивными вольфрамовыми электродами, которые впаяны в кварцевый баллон. Лампа заполнена тяжелым газом ксеноном. Она излучает не только в видимой, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и потому используется в качестве источника света в различных приборах.

_{Рис. 6.1. Горящая ослепительно белым светом ксеноновая лампа сверхвысокого давления}

Многие жители больших городов заметили, что в последние годы небо по ночам имеет красновато-оранжевый цвет, особенно в облачную погоду. Это происходит потому, что для освещения улиц и площадей стали использовать натриевые лампы, в которых светятся пары не ртути, а натрия. Свет, излучаемый раскаленными парами натрия, знаком любой хозяйке, у которой хоть раз «убегал» и попадал на горящую конфорку посоленный суп. Желтый свет паров натрия довольно сильно отличается от солнечного света, поэтому к натрию добавляют другие металлы, что делает свет желто-оранжевым. Натриевые лампы экономичнее, так как при той же затрате электроэнергии дают значительно большую освещенность.

Дата добавления: 2015-08-21