Warum spüren wir Wärme von Infrarotlicht, aber nicht von kürzeren Wellenlängen?

Die kurze Antwort lautet: Natürlich tun wir das.

Die lange Antwort besteht aus mehreren Teilen.

Absorption

Unterschiedliche Wellenlängen haben in denselben Materialien unterschiedliche Absorptionsverhältnisse. Das typische Beispiel ist eine Plastiktüte, die für sichtbares Licht transparent, aber für Infrarotlicht undurchlässig ist. Das bedeutet, dass es hauptsächlich sichtbares Licht durchlässt (keine Absorption, keine Erwärmung), während Infrarotlicht eingefangen wird (Absorption, Erwärmung).

Der menschliche Körper ist größtenteils sowohl für sehr hoch- als auch für sehr niederfrequentes Licht durchlässig. Funk geht direkt durch, ebenso wie zB Röntgenstrahlen zum größten Teil (versuchen Sie nicht, sich vor einer nuklearen Explosion hinter einem anderen Menschen zu verstecken - nicht viel Schutz). Es könnten Kilowatt Radiowellen direkt durch Ihren Körper gehen, ohne dass Sie eine Erwärmung bemerken, da Ihr Körper nur sehr wenig dieser Frequenzen absorbiert. Infrarot ist sehr wichtig, weil es leicht in Wasser absorbiert wird – und es gibt viel Wasser im menschlichen Körper. Dennoch wird sichtbares Licht auch vom menschlichen Körper leicht absorbiert - Sie spüren tatsächlich die Wärme des sichtbaren Lichts (wenn Sie jemals versucht haben, eine Linse auf ein Blatt Papier zu fokussieren - tun Sie dies hauptsächlich mit sichtbarem Licht; Infrarotlicht hat natürlich einen anderen Fokus). Aber unter normalen Bedingungen

Emission

... die meisten Lichtquellen um uns herum sind ziemlich nah an Schwarzkörperstrahlern. Sie kennen vielleicht die ziemlich markante Kurve, die sich aus dem Planckschen Gesetz für die Photonenemission eines schwarzen Körpers ergibt. Vergleichen Sie nun die Fläche unter der Kurve im IR-Bereich mit der im sichtbaren oder UV-Bereich - bei Niedertemperaturquellen (einfache Glühlampen) dominiert IR vollständig, und selbst bei Sonnenlicht können Sie dies sehen, noch bevor Sie alle berücksichtigen Kompliziertheit der Atmosphäre usw. erhalten wir viel mehr IR-Licht als sichtbares Licht. Während die Pro-Photonen-Energie von UV-Licht viel höher ist als die von sichtbarem Licht, ist die von allen Photonen getragene Gesamtenergiemenge viel kleiner – und das meiste UV-Licht wird sowieso in der Atmosphäre absorbiert.

Tatsächlich neigen selbst moderne hocheffiziente Glühbirnen immer noch dazu, mehr IR-Licht als sichtbares Licht zu erzeugen; Lichtquellen mit einem Wirkungsgrad von über 50 % sind eher selten. Eine anständige LED-Glühbirne hat möglicherweise einen Wirkungsgrad von etwa 20 %, was bedeutet, dass sie für jedes Watt Licht vier Watt Wärme abgibt (entweder direkte IR-Strahlung oder Kaskadierung durch ihre Umgebung).

IR ist überall

Das Wärmegefühl auf Ihrer Haut ist eine relativ einfache Frage des Vergleichs zweier Temperaturen – der Temperatur der oberen Haut mit der Temperatur der unteren Haut. Ist die Oberhaut heißer, wird uns warm, ist sie kälter, wird uns kalt.

Alle Objekte senden IR-Licht aus. Alle von ihnen - und im Verhältnis zu ihrer Temperatur. Deshalb wird IR häufig mit Wärme in Verbindung gebracht – der Raum um Sie herum ist heiß durch IR-Strahlung, der Computer unter Ihrem Schreibtisch ist heiß durch IR-Strahlung, Sie sind heiß durch IR-Strahlung. Das ist es, was passives Wärmebild funktioniert - verschiedene Objekte haben unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Emissionsgrade, wodurch sie sich auf einem IR-Sensor voneinander abheben.

Von wie viel Wärme reden wir? Vergleichen wir mal zum Spaß mit der Sonne. Sonnenlicht gibt in Bodennähe etwa 1100 W pro Quadratmeter ab (es gibt viele verschiedene Durchschnittswerte - dies ist im Grunde der Wert am Mittag am Äquator mit durchschnittlicher Bewölkung). Davon sind etwa 55 % Infrarotlicht und etwa 42 % sichtbar (sehen Sie? Selbst nachdem so viel IR in der Atmosphäre absorbiert wird, dominiert es immer noch in Bodennähe :)). Nehmen wir also an, Sie erhalten etwa 500 W IR-Wärme auf Oberflächenebene pro Quadratmeter. Sicherlich nicht zu verachten. Aber sagen wir es mal menschlich.

Nehmen Sie einen nackten Menschen und winkeln Sie ihn zur Sonne. Die menschliche Oberfläche beträgt im Durchschnitt etwa zwei Quadratmeter, und die Hälfte davon ist der Sonne abgewandt, sodass Sie an einem guten Tag bis zu 500 W IR-Licht absorbieren können. Nah genug für unsere Zwecke :) Aber man muss noch etwas anderes bedenken - der menschliche Körper ist auch ein IR-Emitter, und zwar ein ziemlich guter. Wie viel Energie gibt ein typischer Mensch im Leerlauf ab? Ungefähr 1000 W. Ja - fast das gesamte einfallende Sonnenlicht am sonnenreichsten Ort der Erde am Mittag. Warum wird uns überhaupt warm?

Denn Sonnenlicht ist nicht die einzige Strahlungsquelle auf der Erde. Der Mensch strahlt sehr viel Energie aus, das stimmt – aber unsere Umgebung auch. Schließt man sich in einem dunklen Raum bei Zimmertemperatur ein, bekommt man ca. 900 W zurück. Ihr Nettostrahlungsverlust beträgt also nur 100 W statt 1000 W. Und es kommt vor, dass der durchschnittliche Leerlaufwärmeverlust des menschlichen Körpers bei etwa 100 W liegt, weshalb sich ein Raum mit 25 ° C ohne direkte Sonneneinstrahlung angenehm anfühlt - das ist es mehr oder weniger ein perfektes Gleichgewicht zwischen der Ineffizienz des menschlichen Stoffwechsels und dem Temperaturunterschied zwischen dem menschlichen Körper und dem Raum. Das ändert sich natürlich stark je nach Kleidung und anderen Faktoren. Fügen Sie eine 100-W-Glühbirne hinzu, und Sie sind absolut warm :)

IR-Photonen haben eine sehr niedrige Energie

Nun, das mag kontraintuitiv klingen, und das liegt daran, dass dies hauptsächlich auf das menschliche Denken und nicht auf die Realität abzielt. Aber der Vollständigkeit halber: Infrarotlicht hat über die Erwärmung hinaus vernachlässigbare Auswirkungen. Es ist nicht energisch genug, um Atome oder chemische Bindungen zu beeinflussen. Das einzige, was es gut abbildet, sind die zufälligen Bewegungen von Atomen und Molekülen – die sich zu dem summieren, was wir Wärme nennen.

Wenn Sie andererseits etwas wie sichtbares Licht nehmen, erhalten Sie neben den Schwingungen auch chemische Veränderungen - Elektronen werden in angeregte Zustände versetzt, (relativ schwache) chemische Bindungen ändern sich; Tatsächlich sehen wir deshalb insbesondere sichtbares Licht - es ist mehr oder weniger im Sweet Spot von "stark genug, um Elektronen anzuregen, aber schwach genug, um die Photorezeptoren und ihre Proteine ​​nicht zu zerstören" (die Tiere, die für IR empfindlich sind, verwenden a anderer Mechanismus als Elektrochemie). UV-Licht kann leicht absorbiert werden, aber es ist stark genug, um selbst ziemlich starke chemische Bindungen aufzubrechen, was zu erheblichen Schäden führt - so zerstört UV-Licht zum Beispiel die DNA in Ihren Zellen (obwohl es wiederum Tiere gibt, die UV-Sinne haben - viele Insekten tun).

Es gibt also diese seltsame Voreingenommenheit im menschlichen Geist – man sieht all diese verschiedenen Arten von Licht, und sie haben alle interessante Eigenschaften … außer IR. Es heizt nur Sachen, und nicht viel mehr. Gehen Sie zu noch tieferem IR (wie Mikrowellen- oder Radiowellen), und Sie erhalten andere interessante Verhaltensweisen - und viel weniger direkte Erwärmung, da sie weniger leicht absorbiert werden.

Fazit

Wir kümmern uns hauptsächlich um Infrarotstrahlung in Bezug auf Wärme, einfach weil es überall so viel davon gibt und die meisten Quellen für sichtbares Licht auch eine höhere Menge an Infrarotlicht enthalten. Nehmen Sie jedoch eine reine sichtbare Lichtquelle mit ausreichender Leistung (z. B. eine kalte LED-Hochleistungslampe) und richten Sie sie auf sich selbst, und Sie werden die Hitze spüren. Wir verwenden viele leistungsstarke Laser mit sichtbarem Licht, und sie sind ganz offensichtlich ziemlich gut darin, Dinge zu erhitzen.

Ein typisches Photovoltaik-Solarmodul gewinnt den größten Teil seiner Stromerzeugung aus sichtbarem Licht, ebenso wie photosynthetische Pflanzen (während einige Pflanzen auch UV-Licht benötigen, ist das eher ein Katalysator als die primäre Energiequelle; überlegen Sie, wie gut Ihr Haus ist Pflanze tut, obwohl sie überhaupt kein UV-Licht bekommt). Sie benötigen einen Energiegradienten , um nützliche Arbeit zu leisten, und das macht sichtbares Licht für die meisten Pflanzen viel interessanter als IR - sehen Sie sich ein IR-Foto von Bäumen oder Pflanzen an; Es besteht eine ziemlich gute Chance, dass ihre Blätter tatsächlich einfallendes IR-Licht reflektieren , anstatt es zu absorbieren, einfach weil es im Grunde genommen Abwärme ist, die Sie nicht wollen. Allerdings gibt es andere photosynthetische Organismen, die je nach Nische mit IR-, rotem oder blauem Licht arbeiten.

Dies ist wahrscheinlich auf das Plancksche Strahlungsgesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz zurückzuführen, die die Wellenlänge der maximalen Energieemission angeben, was zeigt, dass für Temperaturen gewöhnlich sehr heißer Körper in der Größenordnung von (ein paar)$1000K$, die im infraroten/sichtbaren ($\lambda>380 nm$)Bereich ist viel größer als im ultravioletten Bereich ($\lambda<380 nm$).

Wir tun es. Hier sind zwei Möglichkeiten, dies zu demonstrieren.

Zuerst der empfohlene Weg: Besorgen Sie sich eine wirklich helle weiße LED (zB ein 1200 Lumen Fahrradlicht) und schauen Sie sich das Spektrum entweder auf einem Datenblatt oder mit einem Spektrometer an. Wenn Sie dem nicht vertrauen, setzen Sie ein IR-blockierendes Glas davor (z. B. KG1). Legen Sie Ihre Hand in den Strahl. Sie werden sich besonders draußen in einer kalten Nacht gewarnt fühlen. Eine Variation besteht darin, eine extrem helle einfarbige sichtbare LED zu erhalten. Heutzutage (2020 hinzugefügt) können Hochleistungs-LEDs mehrere Watt über einen sehr kleinen sichtbaren Wellenlängenbereich abgeben, sodass Sie die Wärme von (z. B.) blauem Licht leicht spüren können

Jetzt der nicht empfohlene Weg: Legen Sie Ihre Hand in den Strahl eines sichtbaren Lasers mit mindestens 50 mW (mehr, wenn der Strahl breit ist). 120 mW von 532 nm (grün) in einen Sub-Millimeter-Punkt auf dem Handrücken geben einen ziemlichen Stich. Bei dieser Art von Leistung sollten Sie eine Schutzbrille tragen, aber dann können Sie den Strahl nicht sehen und können beim Ausrichten versehentlich Ihre Hand hineinbekommen. Aber versuchen Sie das nicht zu Hause.

Ich poste dies als Antwort auf die Antwort von Quantumwhisp, die eine höhere Körpererwärmung durch Infrarotlicht (IR) im Vergleich zu sichtbarem / ultraviolettem (UV) Licht durch eine Erhöhung des Lichtabsorptionskoeffizienten in Wasser mit zunehmender Wellenlänge erklärt$\lambda$von UV- zu sichtbarem und IR-Licht (siehe Grafik in der zitierten Antwort). Das ist meiner Meinung nach nicht korrekt (Siehe meinen Kommentar zur zitierten Antwort.) Um die Erwärmungswirkung von einfallendem Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen vergleichen zu können, muss man wissen, wie viel Energie des einfallenden Lichts in der menschlichen Haut absorbiert wird . Ich habe einen wissenschaftlichen Artikel gefunden, der über solche Messungen der relativen Energieabsorption von Licht in der Haut verschiedener Männer und Frauen im Wellenlängenbereich von UV ($\lambda=200nm$) bis nahes IR ($\lambda=1000nm$)( Penjweini et al.2013 ), was eine Abnahme der Lichtabsorption mit der Wellenlänge in diesem Bereich zeigt. Ein Beispiel für diese Abnahme der relativen Lichtabsorption mit$\lambda$(Haut eines Mannes) ist in der Grafik zu sehen . Dies zeigt, dass die Absorption der einfallenden Lichtenergie in der Haut mit der Wellenlänge von UV- bis sichtbarem und nahem IR-Licht abnimmt und nicht zunimmt, wie der Absorptionskoeffizient von Wasser vermuten lässt. Dies stützt meine frühere Erklärung, dass die stärkere Erwärmung, die durch IR-Strahlung wahrgenommen wird, wahrscheinlich auf das Energieemissionsspektrum heißer Körper zurückzuführen ist, das dem Spektrum der Schwarzkörperstrahlung von Planck ähnlich ist.

Wenn ich Ihre Frage richtig verstehe, verwechseln Sie möglicherweise zwei verschiedene, aber verwandte Konzepte, nämlich das der Temperatur und das der Wärme. Wenn ich sage, dass ich „Hitze“ spüre, vermische ich die Begriffe Temperatur und Wärme. Es gibt molekulare Bewegung in einer Substanz, je mehr molekulare Bewegung, desto höher die Temperatur. Aber das ist nicht dasselbe wie Wärme (im physikalischen Sinne). Wärme ist die spontane Übertragung von Energie von einem System auf ein anderes, die nicht der Arbeit zugeschrieben werden kann, die an oder durch das System geleistet wird.$\textit{The way}$in dem diese Übertragung erfolgt, wird unserer allgemeinen Erfahrung nach durch Strahlung gesehen. In der Praxis könnten wir also ein wirklich heißes Material (Moleküle mit hoher kinetischer Energie) haben, ein Teil dieser Energie kann dann im optischen oder infraroten Spektrum freigesetzt werden.

Die Sonne setzt einige ultraviolette Strahlen frei, und obwohl sie für die Haut gefährlich sein können, ist ein glühendes Eisen die bevorzugte Methode eines sadistischen Folterers. Der Schmerz, den ich durch das glühende Eisen fühle, kann durch den roten Farbton angedeutet werden, aber der Schmerz, den ich fühle, ist das Ergebnis der molekularen Bewegung von Molekülen und Atomen im Eisen, die ihre mechanische Energie auf die Atome auf meiner Haut übertragen.