Gyorskeresés

A hősugárzás (radiáció) 7248

A radiáció a latin radius = sugár szóból ered.

Minden test minden hőmérsékleten kibocsát elektromágneses sugarakat (hullámokat), ezt hívjuk hőmérsékleti sugárzásnak. Ennek az összetétele olyan, hogy végtelen sokféle frekvenciát (hullámhosszt) tartalmaz, és ezek eloszlása egy "púpos" görbét mutat a frekvencia (hullámhossz) függvényében:

Ez a NASA által fellőtt COBE műhol méréseit mutatja, ha olyan irányba tekint, ahol épp nincs csillag vagy galaxis. A távoli világűr (interszetelláris, azaz csillagközi anyag) kb. \(3\ \mathrm{K}\) (tehát \(-270\ \mathrm{{}^\circ C}\)) hőmérsékletű, de még ilyen rettenetes hideg állapotban is sugároznak a testek. A sugárzás hullámhossza a milliméteres tartományba, azaz a mikrohullámok tartományába esik, így emberi szemmel nem látjuk. A grafikon függőleges tengelyén azt ábrázolták, hogy egy adott hullámhosszból (mondjuk $1\ \mathrm{mm}$) mennyit sugároz a test, (pontosabban mivel egyetlen egzaktul megadott hullámhosszból végtelenül keveset sugároz egy test, ezért ennek a hullámhossznak egy kis környezetében lévő hullámhosszokat összesen vizsgálják).

Minél nagyobb a test \(T\) hőmérséklete, annál nagyobb az általa kibocsátott elektromágneses sugárzások \(P\) összteljesítménye, méghozzá a függés nagyon erős; a kelvinben megadott \(T\) hőmérséklet 4-edik kitevőjével arányos:

\[P\sim {T}^4\]

vagyis ha egy szobahőmérsékletű (kb. $300\ \mathrm{K}$‑es) testet $300\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra (kb. $600\ \mathrm{K}$‑re) melegítünk, akkor a kibocsátott hősugárzása

\[2^4=16\]

vagyis 16‑szorosára fog növekedni a kezdetihez képest. Ezt mutatja a következő ábra, melyen különféle hőmérsékletű testek sugárzási görbéit láthatjuk:

Látszik, hogy a melegebb test mindenféle hullámhosszon többet sugároz, mint a hidegebb, ezért az összes kibocsátása is nagyobb.

A másik szabályszerűség, hogy minél nagyobb a hőmérséklet, annál inkább nagyobb frekvenciájú (kisebb hullámhosszú) sugárzásokból fog sokat kibocsátani a test, vagyis a legnagyobb intenzitású frekvencia (hullámhossz) egyre nagyobb (kisebb) érték felé tolódik el:

  

Konkrétan itt azt látjuk, hogy a nem túl forró ($4000\ \mathrm{K}$‑es) csillagok kisugárzott fényében $700\ \mathrm{nm}$‑es vörösből van a legtöbb, míg a nagyon forró ($18\ 000\ \mathrm{K}$‑es felszíni hőmérsékletű) csillagok már a $400\ \mathrm{nm}$‑es kék fényből sugároznak a legtöbbet.

Kb. $600\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ig a hőmérsékleti sugárzás egyáltalán nem tartalmaz látható fényt, csak láthatatlan infravöröst, mikrohullámot vagy rádióhullámokat. $600\ \mathrm{{}^\circ C}$‑nál egy test még csak olyan vörös hullámhosszokat bocsát ki, amikre az emberi szem alig érzékeny, így a mályvörös színű sugárzás nagyon halvány. $600\unicode{x2013} 800\ \mathrm{{}^\circ C}$ környékén beszélünk vörösizzásról, aztán a hőmérsékletet növelve a látható tartományba egyre inkább "belenyúlik" a sugárzás spektrális eloszlása, emiatt a sugárzás az emberi szem számára narancsosabb, majd egyre világosabb sárgás aztán $5\unicode{x2013} 6000\ \mathrm{{}^\circ C}$‑nál fehér lesz.

Ez a színtáblázat az acélmegmunkálásnál régen (amíg nem voltak prométerek, vagyis hősugártással működő hőmérők), fontos volt, hogy "szemre" megállapítsák az anyag hőmérsékletét:

A Föld mélyéről feltörő olvadt kőzet (láva) hőmérséklete kb. $1000\unicode{x2013} 2000\ \mathrm{{}^\circ C}$, így sárgásan izzik, persze csak ahol még nem hűlt le, mert ott már "csak" sötétebb vörösen izzik, vagy már semennyire sem (pontosabban már csak láthatatlan infravöröst sugároz, ilyenkor szürkés). 

Az emberi szem színérzékeny csapjaiból 3‑féle van, ezek érzékenységének spektrális eloszlása:

 Még tovább növelve a hőmérsékletet, a sugárzás maximuma már a kék felé tolódik el, majd még magasabb hőmérsékleten már a kéken (ibolyán) túli tartományba (UV) kerül a maximum. 

Itt amiatt "más a púp alakja", mert a vízszintes tengely (amin a hullámhossz szerepel), az most logaritmikus skálázású. Azt is megfigyelhetjük, hogy a Nap $5777\ \mathrm{K}$‑es felszíni hőmérsékletén olyan a sugárzás hullámhossz szerinti eloszlása, hogy a lehető legegyenletesebben legyen benne az egész látható tartomány. A $3000\ \mathrm{K}$‑s görbénél megfigyelhetjük, hogy vörösből többet sugároz, mint kékből, míg a $10\ 000\ \mathrm{K}$‑es görbn azt látjuk, hogy kékből sugároz többet, mint vörösből. Emiatt a legforróbb csillagok színe kékes, a viszonylag hidegebbeké pedig vöröses.

Az infravörös hősugárzás lehetővé teszi, hogy olyan objektumokat is megfigyeljünk, amik látható tartományban semmit nem sugároznak. Az ilyen kamera neve infrakamera (hőkamera; angolul thermal camera). Ezek a vörösizzás alatti hőmérsékleten is megmutatják, hogy hol melegebb és hol hidegebb a test. A hőkamerák vagy fekete-fehérek, vagy"hamis színezésűek": általában a melegebb részeket pirossal, az egyre hidegebbeket sárgával, zölddel és kékkel jelölik. Használják sok helyen, például épületenergetikában, a hőveszteség tanulmányozására:


 

...állatokra vadászva:


 

...illegális határátlépőkre vadászva (migránsvadászatra):


 

...repülőtereken a lázas betegek (akik esetleg valamilyen fertőzőbetegek, például influenzások) kiszűrésére:


 

...orvosi műszerként szöveti elváltozások felkutatására (például egy rákos szövet a rákos sejtek intenzív osztódása miatt intenzvebb anyagcserét folytat, ezért melegebb a normál szöveteknél):

 

De a hőkamerák legfontosabb alkalmazását az alábbi videó mutatja: