Инфракрасное излучение

О существовании особых тепловых лучей люди догадывались еще в глубокой древности. Так, римский поэт и философ Тит Лукреций Кар (ок. 99—55 до н. э.) в произведении «О природе вещей» писал, что Солнце обладает жаркими невидимыми огнями. Впрочем, исследовать данное явление начали лишь в XVII в., когда наука перешла с мистически-философского уровня на экспериментальный. Особый же интерес к тепловым процессам пробудился в конце XVIII в. в связи с внедрением в промышленность паровых машин.

В 1777 г. шведский химик Карл Шееле опубликовал «Химический трактат о воздухе и огне», где впервые ввел понятие «лучистой теплоты», не представив, однако, никаких температурных измерений этих лучей. Чуть позже была опубликована «Пирометрия», написанная немецким ученым Иоганном Ламбертом, который проверил выводы Шееле опытным путем и заметил следующее: луч тепла всегда прямой, и с расстоянием его интенсивность уменьшается.

Таким образом, оба ученых обратили внимание на то, что «лучистая теплота», подобно свету, характеризуется прямолинейной траекторией и способностью отражаться. Но о том, насколько тесно эти излучения связаны между собой, ни Ламберт, ни Шееле не догадывались.

В 1790 г. профессор Женевской академии Марк Пикте решил поэкспериментировать с отражением тепловых лучей. На расстоянии примерно 4 м друг от друга были размещены вогнутые оловянные зеркала, и в фокусе первого (то есть в точке, где сходятся отраженные зеркалом лучи) подвешен раскаленный шар, а в фокусе второго — градусник. Очень скоро температура на этом градуснике подскочила на 10 °С, в то время как на термометре вне фокуса осталась неизменной. Еще выше ртутный столбик фокусного градусника поднялся тогда, когда исследователь обмазал шар сажей. А вот при замене металлических зеркал стеклянными подобных эффектов не наблюдалось.

Пикте задумался: а вдруг холод тоже способен отражаться? Сам ученый не верил в это, поскольку считал холод лишь отсутствием теплоты, но на всякий случай решил проверить. Заменив раскаленный шар емкостью, наполненной снегом, он с удивлением обнаружил, что температура фокусного градусника упала. Тогда он обработал снег азотной кислотой, и ртутный столбик опустился еще на несколько градусов. В итоге Пикте сделал такое заключение: более нагретый объект передает свое тепло менее нагретому, в результате чего первый охлаждается, а второй, наоборот, нагревается, пока их температуры не уравняются. При одинаковой температуре объекты теплотой не обмениваются. То есть Пикте утверждал, будто никаких холодных лучей не существует, а температура упала из-за того, что банка со снегом приняла на себя тепло разогретого зеркала и оно охладилось.

Между тем Пьер Прево, коллега Пикте, не согласился с данной точкой зрения и заявил, что тепловой обмен идет даже между предметами с равной температурой. Мол, тепловые лучи, состоящие из особых частиц, исходят от каждого нагретого объекта, так же как световые — от светящегося. Тепловые частицы испускаются всей поверхностью предмета и очень быстро разлетаются в разные стороны, но в то же время предмет принимает частицы тепла от окружающих его объектов. Получается, теплообмен происходит благодаря тому, что все объекты, как выразился ученый, похожи на озера: ливень наполняет их водой настолько же, насколько осушает солнце.

На заре XIX в. английский астроном Уильям Гершель (1738—1822) обнаружил, что разноцветные стеклышки-фильтры оптической техники неодинаково реагируют на солнечные лучи. Ученому стало интересно, какие лучи светового спектра нагревают предметы сильнее, а какие — слабее, и, разделив призмой белый поток света на лучи разных цветов, он принялся поочередно подставлять градусник под спектральные линии. У фиолетового пучка температура оказалась самой низкой, у красного — наивысшей, и ученый предположил, что за красной границей может быть еще жарче. Соответствующие измерения подтвердили эту догадку: после красного излучения следовали некие лучи-невидимки, которые нагревали термометр сильнее остальных.

Желая изучить неизвестные лучи подробнее, ученый провел еще 20 экспериментов с призмой, обычным металлическим зеркалом и вогнутым стальным, размещенным под 45-градусным наклоном в той части спектра, что находилась за красной линией. Все эксперименты продемонстрировали отражение и преломление «горячих» лучей. Поначалу Гершель подумал, что они ничем не отличаются от световых, но последующие наблюдения показали, что лучи света и тепла неодинаково проходят через одни и те же объекты. Это стало основанием для вывода о разной природе двух излучений.

Изыскания Гершеля были восприняты неоднозначно. Так, английский ученый Джон Лесли заявил, что существование лучей-невидимок противоречит здравому смыслу и на самом деле тепловой эффект — это не более чем прогретый солнцем воздух, а тепло в опытах Гершеля исходило от самих призм. В доказательство Лесли разложил белый свет на спектр с помощью особого стекла с малым показателем преломления, а затем измерил температуру каждой цветной линии высокочувствительным градусником. За красной линией температура не повысилась.

Научный мир разделился на сторонников Гершеля и Лесли — каждый «лагерь» пытался опытным путем доказать свою правоту. Один из последователей Гершеля — П. Прево уверял: о том, одинаковы лучи или нет, нельзя судить по их способности проходить сквозь объекты. А Т. Юнг высказал абсолютно верную догадку, что единственная разница между обоими типами излучения — частота их колебаний. Впоследствии это было доказано экспериментально, и уже в середине XIX в. никто не сомневался в том, что за красным лучом спектра есть еще один — невидимый тепловой. С подачи французского ученого А. Беккереля лучи-невидимки получили название инфракрасных.