Рис. 1. Светло-фиолетовое пятно на ПДУ, видимое через ИК-светофильтр
Инфракрасное (ИК) излучение представляет собой электромагнитное излучение длиной волны от 770 нм до 1 мм. В школе особое внимание обращается на то, что это излучение тепловое, т.е. испускается нагретыми телами. ИК-излучение невооружённым глазом не видно. Для его обнаружения и регистрации можно воспользоваться электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) или прибором с зарядовой связью (ПЗС). К сожалению, в школе нет ни ЭОП, ни ПЗС. Зато ПЗС является одним из основных элементов всех цифровых фотоаппаратов, им и можно воспользоваться. Предлагаем серию простых и эффектных опытов по изучению свойств ИК-излучения, не требующих сложного и труднодоступного оборудования. Правда, обязательно понадобится цифровой фотоаппарат или цифровая камера мобильного телефона.
Первое знакомство
Для начала изучим особенности ИК-излучения некоторых источников.
Неожиданное свойство пульта дистанционного управления (ПДУ). ПДУ посылает управляющие сигналы к телевизору (или другой аппаратуре) в виде электромагнитных импульсов ИК-диапазона. Их источник – инфракрасный светодиод (ИК-диод). Попробуем зарегистрировать это излучение. Опыт не требует затемнения. На цифровом фотоаппарате устанавливаем автоматический режим съёмки и отключаем фотовспышку. Помещаем ПДУ напротив объектива фотоаппарата на расстоянии примерно 15 см, направив его на объектив. Нажимаем любую кнопку на ПДУ и в этот момент делаем снимок. На дисплее фотоаппарата обнаруживаем световую вспышку (светло-фиолетовое пятно на фотографии, рис. 1), простым глазом не видимую.
Рис. 1. Светло-фиолетовое пятно на ПДУ, видимое
через ИК-светофильтр
Источник излучения – ИК-диод. ПДУ не всегда удобн о использовать для эксперимента. Тем более что электронная начинка ПДУ для изучения не нужна. Важен именно ИК-диод. Подготовим новый источник излучения – ИК-диод (длина волны менее 1 мкм) в сборке с элементом питания, например, литиевой батарейкой типа LR44 (рис. 2), соблюдая полярность (длинный контакт – к положительному полюсу), пайка не нужна. На фотоаппарате устанавливаем автоматический режим съёмки. Диод располагаем перед объективом фотоаппарата на расстоянии до 15 см, и на дисплее фотоаппарата наблюдаем изображение.
Рис. 2. Слева – элемент питания (1) в
сборке с ИК-диодом (2); справа – свечение
ИК-диода, зарегистрированное с помощью цифрового
фотоаппарата
Внимание! В ПДУ такие диоды работают в импульсном режиме, поэтому, когда их подключают к источнику питания напрямую, они перегреваются и выходят из строя. Лучше поэтому использовать источник напряжения до 1,5 В.
Наблюдение ИК-излучения от нагретых тел. Для опыта потребуется нагретое тело (спираль лампы накаливания, Солнце, жало паяльника и т.д.), ИК-светофильтр, цифровой фотоаппарат. В качестве ИК-светофильтра можно использовать либо светофильтр из набора по оптике типа ИКС (лучше ИКС-1), либо эбонитовую пластинку толщиной не более 0,5 мм, либо два адсорбционных светофильтра из набора по оптике (например, красный и зелёный), сложенных вместе («двойной» светофильтр). Эти светофильтры пропускают часть красного света (в чём можно убедиться, если посмотреть через них на лампу накаливания), однако для наших целей всё же подойдут.
Удерживая ИК-светофильтр в руке, плотно прижимаем его к объективу фотоаппарата. Объектив направляем на источник излучения, устанавливаем автоматический режим съёмки. Наблюдаем на дисплее фотоаппарата изображение нагретого тела, рис. 3.
Рис. 3. Свечение: а) спирали лампы
накаливания, зафиксированное цифровым
фотоаппаратом через «двойной» светофильтр; б)
той же спирали – через эбонитовую пластинку; в)
Солнца через эбонитовую пластинку
Как видно, эбонит сильно поглощает излучение, поэтому «двойной» светофильтр для опытов с нагретыми телами предпочтительнее. От жала паяльника свечение зафиксировать не удаётся. Почему? Дело в том, что длина волны излучаемого жалом света выходит за пределы диапазона чувствительности ПЗС фотоаппарата.
Все ли светящиеся объекты и нагретые тела излучают ИК-волны? Проведём еще несколько опытов. Сравним свойства пламени свечи (зажигалки, спички) и газовой плиты. Нам опять понадобятся ИК-светофильтр и цифровой фотоаппарат. Излучатель может быть не очень мощным. Если используем эбонитовый светофильтр, то фотоаппарат настраиваем вручную: устанавливаем максимальную чувствительность матрицы ISO (в нашем случае 400), а скорость срабатывания затвора делаем около 3 с. Удерживая ИК-светофильтр в руке, полотно прижимаем его к объективу фотоаппарата. Объектив направляем на источник излучения, рис. 4.
Рис. 4. Пламя свечи, видимое: а)
невооружённым глазом; б) в цифровом
фотоаппарате через «двойной» светофильтр; в)
через эбонитовую пластинку с выдержкой 3 с
Однако ИК-излучение от люминесцентной лампы и пламени газовой плиты зарегистрировать не удаётся. Почему? Свечение люминесцентной лампы обусловлено явлением фотолюминесценции (холодное свечение), а его спектр максимально приближен к спектру дневного (белого) света, т.е. ИК-излучения в нём практически нет. Пламя от газовой плиты кажется нам голубым, поскольку наибольшая интенсивность излучения приходится именно на длину волны голубого цвета. Поэтому, несмотря на то, что это нагретое тело, его ИК-излучение слабое.
Отражаются ли ИК-волны от обычного зеркала? Это легко проверить, имея ИК-диод (ПДУ), зеркало и цифровой фотоаппарат.
Преломление ИК-волн на стекле. Свет, проходя через границу раздела сред, преломляется. Если на пути луча под некоторым углом разместить трапециедальную призму, то луч пройдёт так, как показано на рис. 5. Докажите, что ИК-волны преломляются.
Рис. 5. Ход луча в трапецеидальной призме
«Невидимая» дисперсия. Сравним показатели преломления ИК-излучения и видимого света.
Оборудование: осветитель (с лампой накаливания), оптические светофильтры, фотоаппарат, треугольная преломляющая призма.
В качестве осветителя можно использовать карманный фонарик. Чтобы сравнить показатели преломления, необходимо выделить из общего спектра какой-либо один цвет, например, зелёный. С помощью призмы разложим видимый свет в спектр (явление дисперсии). Установим перед осветителем светофильтр, например, зелёный. Объектив фотоаппарата направим на место выхода лучей из призмы. При необходимости яркость осветителя нужно уменьшить. На дисплее фотоаппарата мы наблюдали хорошее разделение пятнышек зелёного и светло-фиолетового (ИК) цветов, полученных после прохождения света через треугольную преломляющую призму. Получали также разделение красного света и ИК-лучей. Из опытов следует, что показатель преломления ИК-излучения меньше, чем видимого света.
Определение длины волны излучения ИК-диода. Длину волны определяем методом сравнения с известной длиной волны. Для опыта нужны ПДУ, лазерная указка (источник известной длины волны), дифракционная решётка (100 и более штрихов на 1 мм), фотоаппарат, красный светофильтр, рис. 6. Чтобы не повредить ПЗС-матрицу фотоаппарата, рекомендуем предварительно ослабить направленное на неё излучения лазера, поместив перед объективом светофильтр (например, кусок засвеченной фотоплёнки). ПДУ располагаем напротив объектива фотоаппарата, лазерную указку – непосредственно над ПДУ. Между источниками излучения и фотоаппаратом помещаем дифракционную решётку так, чтобы на дисплее фотоаппарата были видны хотя бы первые максимумы обоих излучений. Нажимаем кнопку на ПДУ и на лазерной указке и в этот момент делаем снимок.
Рис. 6. Установка для наблюдения дифракции: 1
– фотоаппарат; 2 – дифракционная решётка в
держателе; 3 – лазерная указка; 4 –
ПДУ; 5 – светофильтр – засвеченная
фотоплёнка
На рис. 7 показаны картины дифракции
красного и ИК-излучений: В – главный
максимум; C – первые максимумы красного
издучения; D – первые максимумы ИК-излучения.
Справа показан ход лучей после прохождения
дифракционной решётки (точка А). Измерим
расстояния ВС и BD на фотографии. Мы знаем
длину волны лазера (в нашем случае 650 нм) и,
используя формулу dsin
= k
, можем рассчитать параметры
треугольника ABC, а затем и треугольника ABD.
Зная угол 2,
определим длину волны ИК-диода. Получен- ная
длина волны должна лежать в пределах от 750 нм до
1100 нм.
Рис. 7. Картины дифракции красного (вверху) и
ИК (внизу) излучений: В – главные максимумы; C
и D – первые максимумы. Справа – построение
для расчёта длины И К-волны по известной
Пример расчёта. Длина волны излучения лазерной указки равна 650 нм. Мы использовали дифракционную решётку с 350 штрихами на 1 мм. Расстояния: ВС = 24 мм, BD = 31 мм.
Итак, 
отсюда:
По теореме Пифагора:
следовательно,
Возможен другой вариант опыта с использованием только одного источника света (фонарик с лампой накаливания). Вам понадобятся ещё дифракционная решётка и красный светофильтр. Полученная дифракционная картина (при 350 штрихах на мм) показана на рис. 8. Так как мы не знаем длину волны, которую пропускает красный светофильтр, можно взять среднее значение для красного света 700 нм. Тогда расчётная длина волны ИК-излучения будет равна 981 нм.
Рис. 8. Картина дифракции, полученная от
фонарика через красный светофильтр: 1 –
центральный максимум, 2 – первые максимумы
для красного света, 3 – то же для
ИК-излучения
Явление поляризации. Для опыта понадобится лампа накаливания (фонарик), два плёночных поляроида, фотоаппарат. Лампу накаливания располагаем напротив объектива фотоаппарата. Между ними помещаем два поляроида, поворачиваем один до того момента, пока видимый свет не перестанет проходить через поляроиды. Результаты опыта оказываются удивительными. Попробуйте объяснить их.
Как выглядят предметы различных цветов в ИК лучах. Для опыта потребуются: ИК-светофильтр (двойной), фотоаппарат, объект (например, цветной). На цифровом фотоаппарате устанавливаем максимальную чувствительность матрицы ISO (в нашем случае 400), скорость срабатывания затвора – около 5 с. Удерживая ИК-светофильтр в руке, плотно прижимаем его к объективу фотоаппарата. Объектив направляем на объект изучения и дополнительно освещаем объект лампой накаливания. Делаем снимок. Для сравнения делаем снимок объекта при дневном освещении в автоматическом режиме работы фотоаппарата. Результаты получаются неожиданными! (Например, некоторые объекты могут стать прозрачными, рис. 9.)
Рис. 9. Ампула с йодом: а) в обычных и б)
в ИК-лучах