Γιατί τα υπέρυθρα κύματα συνδέονται με τη θερμότητα;

Τα υπέρυθρα κύματα συνδέονται με τη θερμότητα επειδή έχουν αρκετή ενέργεια για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, ανεβάζοντάς τα έτσι σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Αυτό μεταφράζεται σε περιστροφική και δονητική ενέργεια, που οδηγεί στο τυχαίο τίναγμα των μορίων. Αυτό το τίναγμα των μορίων είναι που ανεβάζει τις θερμοκρασίες του σώματος και υποδηλώνει την παρουσία θερμότητας, την οποία εξισώνουμε με τη ζεστασιά.

Η πιο κοινή εφαρμογή υπέρυθρης ακτινοβολίας που μπορώ να σκεφτώ είναι ένα τηλεχειριστήριο τηλεόρασης, το οποίο επικοινωνεί με μια τηλεόραση κωδικοποιώντας πληροφορίες σε ένα υπέρυθρο κύμα. Εάν αυτά τα κύματα μετέδιδαν «θερμότητα», η στάση ανάμεσα στις δύο συσκευές δεν θα έφερνε τόση χαρά όσο φαίνεται να αντλεί από αυτό το ενοχλητικό αδερφάκι σας. Στην πραγματικότητα, το χαμόγελο στα πρόσωπά τους είναι εξαιρετικά πιο λαμπερό από το υπέρυθρο «φως» που εκπέμπει το τηλεχειριστήριό σας.

Ένα υπέρυθρο κύμα, όπως οι ακτίνες Χ ή το ορατό φως, είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η εμβέλειά του βρίσκεται μεταξύ των μικροκυμάτων και του ορατού φωτός. Το μήκος κύματός του ξεκινά από το τέλος των μικροκυμάτων στο 1mm και τελειώνει στην αρχή του ορατού κόκκινου στα 700nm.

Καθώς το μήκος κύματος ενός κύματος μειώνεται, η ενέργειά του αυξάνεται. Επομένως, εάν οι ακτίνες γάμμα που παράγονται από εκρήξεις σουπερνόβα ή ακτίνες Χ που επιτίθενται στο σώμα σας στο πλησιέστερο νοσοκομείο έχουν τα χαμηλότερα μήκη κύματος και, κατά συνέπεια, τις υψηλότερες ενέργειες, δεν σημαίνει ότι θα πρέπει να εξισώνονται συχνότερα με τη «θερμότητα»;

Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, πρέπει πρώτα να αναλύσουμε τις έννοιες που διατυπώνουν τη σχέση μεταξύ θερμαινόμενων αντικειμένων και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Με άλλα λόγια, πρέπει να κατανοήσουμε το φαινόμενο της ακτινοβολίας Black Body.

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Όλα τα αντικείμενα με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (0K ή -273,15 Κελσίου) εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ένα «μαύρο» σώμα είναι επομένως ένα ιδανικό σώμα ύλης που απορροφά κάθε κουκκίδα ενέργειας, χωρίς να αντανακλά απολύτως τίποτα.

Αυτή η πρώτη πρόταση είναι πολύ σημαντική. Λέει ότι κάθε αντικείμενο εκπέμπει κάποια ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ενέργεια του πακέτου των φωτονίων που μεταφέρει αυτή την ακτινοβολία είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία του σώματος που την εκπέμπει. Η ενέργεια δίνεται από το hc/λ, όπου «h» είναι η σταθερά του Planck, «c» είναι η ταχύτητα του φωτός και «λ» το μήκος κύματος του κύματος ΗΜ. Αυτό εξηγεί γιατί τα αστέρια νετρονίων εκπέμπουν ακτίνες γάμμα. Ωστόσο, υπονοεί επίσης ότι, τεχνικά, ακόμη και μια κρύα πλάκα πάγου παράγει "θερμότητα".

Ολόκληρο το φάσμα των μηκών κύματος που εκπέμπονται από θερμαινόμενα αντικείμενα μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους ακτινοβολίας:ιονίζουσα και μη ιονίζουσα ακτινοβολία.

Ιοντίζουσα ακτινοβολία

Ιοντίζουσα ακτινοβολία είναι η ακτινοβολία που έχει αρκετή ενέργεια για να αφαιρέσει ηλεκτρόνια από τα άτομα, ιονίζοντάς τα έτσι. Οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα, καθώς και οι ακτίνες UV με το χαμηλότερο μήκος κύματος, είναι τόσο ενεργητικές που οι αλληλεπιδράσεις τους με την ύλη δίνουν την εντύπωση ότι συμπεριφέρονται ως σωματίδια και όχι ως κύματα. Επειδή τα μήκη κύματός τους είναι απειροελάχιστα, δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν αποτελεσματικά με μόρια στην επιφάνεια του δέρματος και, αντίθετα, να αλληλεπιδράσουν με οντότητες συγκρίσιμου μεγέθους.

Η σύγκρουσή τους με ένα ηλεκτρόνιο θα το γκρεμίσει βάναυσα από ένα άτομο! Η ακτινοβολία ιονισμού δεν είναι επιβλαβής με την έννοια ότι μπορεί να προκαλέσει τεράστια ζέστη και να προκαλέσει σοβαρά εγκαύματα, αλλά τείνουν να διεισδύουν πολύ βαθύτερα και να βλάπτουν τους ιστούς κάτω από το δέρμα μας. Η ζημιά δεν τελειώνει εδώ… επειδή ιονίζουν τα άτομα, τείνουν να διαταράσσουν ολόκληρες κυτταρικές δομές, όπως μόρια DNA και χρωμοσώματα, κάτι που παρεμβαίνει στο περίπλοκο πλαίσιο της γενετικής και προκαλεί ανεπιθύμητες μεταλλάξεις.

Αν και χρησιμοποιείται ευρέως σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και νοσοκομεία, η ιονίζουσα ακτινοβολία έχει υιοθετήσει μια κακή φήμη ότι προκαλεί καρκίνο και μια σειρά από άλλες θανατηφόρες ασθένειες. Η ιονίζουσα ακτινοβολία δεν είναι ορατή με το ανθρώπινο μάτι και πρέπει να ανιχνεύεται χρησιμοποιώντας εξειδικευμένες συσκευές, όπως έναν μετρητή Geiger.

Μη ιονίζουσα ακτινοβολία

Αυτός ο τύπος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας δεν έχει αρκετή ενέργεια για να ιονίσει ένα άτομο ή ένα μόριο, που σημαίνει ότι δεν είναι σε θέση να αφαιρέσει εντελώς ένα ηλεκτρόνιο από τη διάταξή του. Το συγκριτικά μεγαλύτερο μέγεθός τους τους επιτρέπει μόνο να αλληλεπιδρούν με ελαφρώς μεγαλύτερα μόρια, παρά με υποατομικά συστατικά. Έχουν αρκετή ενέργεια μόνο για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, ανυψώνοντάς τα έτσι σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα.

Αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα λειτουργούν μόνο στο επίπεδο της επιφάνειας του δέρματός μας και, στην περίπτωση του υπεριώδους φωτός, σε ιστούς ακριβώς κάτω από την επιφάνεια. Η διέγερση των ηλεκτρονίων μεταφράζεται σε περιστροφική και δονητική ενέργεια, που οδηγεί στο τυχαίο τίναγμα των μορίων. Αυτό το τίναγμα των μορίων είναι που ανεβάζει τις θερμοκρασίες του σώματος και υποδηλώνει την παρουσία θερμότητας, την οποία εξισώνουμε με τη ζεστασιά.

Κοιτάζοντας το φάσμα, μπορεί κανείς να συνειδητοποιήσει ότι τα μικροκύματα μεταδίδουν τη χαμηλότερη ποσότητα θερμότητας, ενώ το ορατό και το υπεριώδες φως μεταδίδουν τη μεγαλύτερη. Αυτό είναι εν μέρει αλήθεια. Το υπεριώδες φως, όταν έρχεται σε επαφή με το δέρμα σας, προκαλεί εγκαύματα. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του υπεριώδους φωτός από τον Ήλιο απορροφάται από την ατμόσφαιρα και εκπέμπεται εκ νέου ως ορατό ή υπέρυθρο φως.

Επίσης, ο λόγος για τον οποίο το ορατό φως δεν καίει όσο θα περίμενε κανείς είναι ότι διασκορπίζεται ή διασπείρεται από τα άτομα και τα μόρια στην ατμόσφαιρα, καθώς και από τα κατώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας. Η φύση του αποτέφρωσης γίνεται αισθητή όταν μεγεθύνεται ή συγκλίνει χρησιμοποιώντας ένα μεγεθυντικό φακό σε ένα λεπτό κομμάτι χαρτί.

Η σημασία της σύγκλισης είναι εξίσου σημαντική για τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα. Οι φούρνοι μας θα ήταν ανίκανοι να ζεστάνουν μια κρύα και σκληρυμένη φέτα πίτσας αν τα φωτόνια δεν ήταν τόσο στενά στριμωγμένα μεταξύ τους. Θυμηθείτε, η ικανότητα θέρμανσης τους παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Percy Spencer όταν το Popsicle του έλιωσε στην τσέπη του ενώ στεκόταν δίπλα σε ένα magnetron. Επειδή τα ραδιοκύματα δεν γεμίζουν σφιχτά όταν διαμορφώνονται, τα χιλιάδες από αυτά που περνούν από μέσα σας καθημερινά δεν προκαλούν εγκαύματα.

Οποιαδήποτε φλεγόμενη οντότητα, όπως ένα φλεγόμενο κομμάτι άνθρακα, εκπέμπει μια ποικιλία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένης της ορατής, της υπεριώδους ακτινοβολίας και ακόμη και των ακτίνων Χ σε μικροσκοπικά ίχνη, αλλά κυρίως, εκπέμπουν υπέρυθρο φως. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η μη ιονίζουσα ακτινοβολία ονομάζεται συχνά θερμική ακτινοβολία . Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, η θερμική ακτινοβολία μπορεί να περιορίζεται στο υπέρυθρο φως, αλλά σε υψηλές θερμοκρασίες, η ακτινοβολία εκτείνεται σε πολλές αποχρώσεις του υπέρυθρου, της ορατής και της υπεριώδους ακτινοβολίας, ανάλογα με τη θερμοκρασία του σώματος.

Παρόμοια με τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γάμμα, το υπέρυθρο δεν μπορεί να ανιχνευθεί με γυμνό μάτι. Αν μπορούσε, θα βλέπατε μια αστραφτερή, σχεδόν παραισθησιακή απόχρωση του κόκκινου γύρω από κάθε αντικείμενο. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ειδικές κάμερες για να ανιχνεύουν αυτές τις μορφές ακτινοβολίας, οι οποίες εκπέμπονται από κάθε αντικείμενο, ακόμη και σε μέτριες ή ονομαστικές θερμοκρασίες, είτε είναι οι αόρατες ακτίνες που προέρχονται από το τηλεχειριστήριό μου είτε από έναν κύβο πάγου.

Μερικά ζώα, όπως τα φίδια, έχουν «λάκκους» που ανιχνεύουν υπέρυθρα κύματα και τους επιτρέπουν να «βλέπουν» το θήραμα μέσα από τις τρύπες και να κυνηγούν επιδέξια τη νύχτα! Ακριβώς όπως ο εξωγήινος με πλοκάμι στην ταινία Predator .

Το γεγονός ότι συνδέουμε μόνο τη «θερμότητα» με τα υπέρυθρα κύματα οφείλεται στο ότι έχουμε συνηθίσει σε πηγές που είναι ικανές να παράγουν μόνο μη ιονίζουσα ακτινοβολία - είναι πολύ απίθανο να συναντήσουμε ένα αστέρι νετρονίων στον πλανήτη μας. Οι πιο κοινές πηγές θερμότητας που βρίσκουμε γύρω μας είναι ο Ήλιος, η φωτιά, τα θερμά σώματα ή οι βολβοί μας — πηγές που εκπέμπουν ακτινοβολία στην περιοχή του υπέρυθρου και της ορατής.

Αυτή η φτώχεια των πηγών ενέργειας έχει περιορίσει τον ορισμό της θερμότητας στη φυσική σε ένα αντικείμενο που μεταδίδει μόνο θερμότητα, αλλά η αλήθεια είναι ότι όλες οι συχνότητες θα παράγουν θερμότητα όταν απορροφηθούν.