Инфрачервени лъчи: свойства, приложения, ефекти върху хората. Източници на инфрачервено лъчение

Инфрачервените лъчи са електромагнитни вълни в невидимата област на електромагнитния спектър, която започва зад видимата червена светлина и завършва пред микровълновото излъчване между честотите 10 ¹² и 5 10 ¹⁴ Hz (или е в обхвата на дължината на вълната 1–750 nm). Името идва от латинската дума infra и означава "под червено".

Използването на инфрачервени лъчи е разнообразно. Те се използват за визуализиране на обекти в тъмнина или в дим, топлинна сауна и затопляне на крилата на самолета, за да се предпази от замръзване в близкото поле и при провеждане на спектроскопски анализ на органични съединения.

откритие

Инфрачервените лъчи са открити през 1800 г. от британски музикант и астроном аматьор от немски произход Уилям Хершел. Използвайки призма, той раздели слънчевата светлина на съставните й компоненти и регистрира увеличение на температурата зад червената част на спектъра, използвайки термометър.

Инфрачервена радиация и топлина

Инфрачервеното лъчение често се нарича термично. Трябва да се отбележи обаче, че това е само последствие. Топлината е мярка за транслационната енергия (енергия на движение) на атомите и молекулите на материята. "Температурните" сензори всъщност не измерват топлината, а само разликите в инфрачервеното излъчване на различни обекти.

Много учители по физика инфрачервени лъчи традиционно приписват цялата топлинна Слънчева радиация. Но това не е напълно вярно. При видимата слънчева светлина, 50% от цялата топлина идва, а електромагнитните вълни на всяка честота с достатъчна интензивност могат да предизвикат топлина. Все пак, справедливо е да се каже, че при стайна температура обектите излъчват топлина главно в средната инфрачервена лента.

ИЧ лъчението се абсорбира и излъчва от ротации и вибрации на химически свързани атоми или техните групи и следователно с много видове материали. Например, прозрачно за видимата светлина прозорче IR излъчване поглъща. Инфрачервените лъчи се абсорбират до голяма степен от водата и атмосферата. Въпреки че са невидими за очите, те могат да бъдат усетени от кожата.

Земята като източник на инфрачервена радиация

Повърхността на нашата планета и облаците поглъщат слънчева енергия, повечето от които под формата на инфрачервена радиация се освобождава в атмосферата. Някои вещества в него, предимно пара и водни капчици, както и метан, въглероден диоксид, азотен оксид, хлорофлуоровъглероди и серен хексафлуорид, абсорбират в инфрачервения участък на спектъра и се пренасочват във всички посоки, включително към Земята. Затова защото парников ефект Земната атмосфера и повърхността са много по-топли, отколкото ако веществата, абсорбиращи инфрачервени лъчи във въздуха, отсъстват.

Тази радиация играе важна роля в преноса на топлина и е неразделна част от т.нар. Парников ефект. В световен мащаб влиянието на инфрачервените лъчи се простира до радиационния баланс на Земята и засяга почти цялата биосферна активност. Практически всеки обект на повърхността на нашата планета излъчва електромагнитно излъчване главно в тази част от спектъра.

Инфрачервени зони

Инфрачервеният обхват често се разделя на по-тесни сегменти от спектъра. Немският институт за стандарти DIN определи следните дължини на вълните на инфрачервените лъчи:

• близо (0.75-1.4 микрона), често използван в оптичната комуникация;
• къса вълна (1.4-3 μm), започваща от която значително се повишава абсорбцията на IR излъчване от вода;
• средна вълна, наричана още междинна (3-8 микрона);
• дълги вълни (8-15 микрона);
• далеч (15-1000 микрона).

Тази схема за класификация обаче не се използва навсякъде. Например, в някои проучвания са посочени следните диапазони: близо (0.75-5 микрона), средно (5-30 микрона) и дълги (30-1000 микрона). Дължините на вълните, използвани в телекомуникациите, се разделят на отделни ленти, поради ограниченията на детектори, усилватели и източници.

Общата нотация е обоснована от човешки реакции към инфрачервени лъчи. Близкият инфрачервен регион е най-близо до дължината на вълната, видима за човешкото око. Средната и далечната инфрачервена радиация постепенно се отстраняват от видимата част на спектъра. Други дефиниции следват различни физични механизми (като пикове на емисии и абсорбция на вода), а най-новите се основават на чувствителността на използваните детектори. Например конвенционалните силициеви сензори са чувствителни около 1050 nm, а индиевият галиев арсенид варира от 950 nm до 1700 и 2200 nm.

Не е определена ясна граница между инфрачервената и видимата светлина. Човешкото око е много по-малко чувствително към червена светлина, надвишаваща дължината на вълната от 700 nm, но интензивен блясък (лазер) може да се види до около 780 nm. Началото на IR обхвата се определя в различни стандарти по различни начини - някъде между тези стойности. Това обикновено е 750 nm. Следователно, видими инфрачервени лъчи са възможни в обхвата 750–780 nm.

Обозначения в комуникационните системи

Оптичната комуникация в близката инфрачервена област е технически разделена на няколко честотни ленти. Това се дължи на различно източници на светлина абсорбиращи и предаващи материали (влакна) и детектори. Те включват:

• O-обхват 1.260-1.360 nm.
• Е-обхват 1,360-1,460 nm.
• S-обхват 1,460-1,530 nm.
• С-обхват 1,530-1,565 nm.
• L-обхват 1.565-1.625 nm.
• U-обхват 1,625-1,675 nm.

термография

Термографията или термичното изображение са вид инфрачервено изображение на обекти. Тъй като всички тела излъчват в инфрачервения диапазон и интензивността на радиацията се увеличава с температурата, могат да се използват специализирани камери с инфрачервени сензори за откриване и заснемане на изображения. В случай на много горещи обекти в близката инфрачервена или видима област, този метод се нарича пирометрия.

Термографията е независима от видимата светлина. Следователно, възможно е да се „види” околната среда дори в тъмното. В частност, топли предмети, включително хора и топлокръвни животни, се открояват добре по-студено. Инфрачервената фотография на пейзажа подобрява изобразяването на обектите в зависимост от техния топлопредаване: синьото небе и водата изглеждат почти черни, а зелената листа и кожата са ярко проявени.

Исторически, термографията е широко използвана от военните и службите за сигурност. Освен това, той намира много други приложения. Например, пожарникарите го използват, за да виждат дим, намират хора и намират горещи точки по време на пожар. Термографията може да разкрие анормален растеж на тъканите и дефекти в електронните системи и вериги поради увеличеното им производство на топлина. Електриците, обслужващи електропроводите, могат да открият прегряване на съединения и части, сигнализиращи за неизправност, и да елиминират потенциалната опасност. В случай на нарушение на топлоизолацията, строителните специалисти могат да видят изтичане на топлина и да повишат ефективността на охлаждащите или отоплителните системи. В някои автомобили от висок клас са инсталирани термовизионни камери, за да се помогне на водача. С помощта на термографски изображения е възможно да се контролират някои физиологични реакции при хора и топлокръвни животни.

Външният вид и начинът на работа на съвременната термографска камера не се различават от тези на конвенционалната видеокамера. Възможността да се вижда в инфрачервения спектър е такава полезна функция, че възможността за запис на изображения често е опция, а модулът за запис не винаги е достъпен.

Други изображения

При инфрачервена фотография, близкият инфрачервен обхват се улавя с помощта на специални филтри. Цифровите камери обикновено блокират инфрачервеното излъчване. Въпреки това евтините камери, които нямат подходящите филтри, могат да „видят“ в близкия инфрачервен обхват. В този случай обикновено невидимата светлина изглежда ярко бяла. Това е особено забележимо по време на снимане в близост до осветените инфрачервени обекти (например лампи), където възникващият шум прави картината избледняла.

Заслужава да се спомене и образната образна диаграма, която е придобиване на изображение в далечната терагерцова гама. Липсата на ярки източници прави тези образи технически по-сложни от повечето други методи за изобразяване на инфрачервени лъчи.

Светодиоди и лазери

Изкуствените източници на инфрачервена радиация включват, освен горещите обекти, светодиоди и лазери. Първите са малки, евтини оптоелектронни устройства, изработени от полупроводникови материали като галиев арсенид. Те се използват като оптоизолатори и като източници на светлина в някои комуникационни системи, базирани на оптични влакна. Високомощните оптични IR лазери работят на базата на диоксид и въглероден оксид. Те се използват за иницииране и промяна на химични реакции и отделяне на изотопи. В допълнение, те се използват в лидарни системи за определяне на разстоянието до обект. Също така източници на инфрачервено излъчване се използват в далекомери на автоматични самофокусиращи камери, аларми за сигурност и оптични устройства за нощно виждане.

IR приемници

Инфрачервените устройства за откриване включват чувствителни на температура устройства, като термодвойки детектори, болометри (някои от тях се охлаждат до температури, близки до абсолютна нула за намаляване на смущенията от самия детектор), фотоволтаични клетки и фотокондуктори. Последните са изработени от полупроводникови материали (например силиций и оловен сулфид), чиято електрическа проводимост се увеличава при излагане на инфрачервени лъчи.

отопление

Инфрачервеното лъчение се използва за отопление - например за отопление на сауни и премахване на лед от крилата на самолета. Освен това, той все по-често се използва за топене на асфалт при полагане на нови пътища или ремонт на повредени зони. IR излъчване може да се използва при приготвянето и загряването на храната.

връзка

IR дължини на вълните се използват за предаване на данни на къси разстояния, например между компютърна периферия и лични цифрови помощници. Тези устройства обикновено отговарят на IrDA стандартите.

Инфрачервената комуникация обикновено се използва на закрито в райони с висока гъстота на населението. Това е най-често срещаният начин за дистанционно управление. Свойствата на инфрачервените лъчи не им позволяват да проникнат през стените и следователно не взаимодействат с оборудването в съседните помещения. В допълнение, IR лазерите се използват като източници на светлина в оптичните комуникационни системи.

спектроскопия

Инфрачервената радиационна спектроскопия е технология, използвана за определяне на структурите и съставите на (предимно) органични съединения чрез изследване на предаването на IR излъчване чрез проби. Тя се основава на свойствата на веществата да абсорбират някои от неговите честоти, които зависят от разтягане и огъване вътре в молекулите на пробата.

Инфрачервените абсорбционни и емисионни характеристики на молекулите и материалите предоставят важна информация за размера, формата и химичното свързване на молекули, атоми и йони в твърдите вещества. Енергиите на ротация и вибрациите се квантуват във всички системи. Инфрачервеното излъчване на енергията hν, ​​излъчена или погълната от дадена молекула или вещество, е мярка за разликата между някои вътрешни енергийни състояния. Те, от своя страна, се определят от атомното тегло и молекулярните връзки. Поради тази причина, инфрачервената спектроскопия е мощен инструмент за определяне на вътрешната структура на молекулите и веществата или, когато тази информация е вече известна и табулирана, техните числа. Методите за инфрачервена спектроскопия често се използват за определяне на състава и следователно на произхода и възрастта на археологическите образци, както и за откриване на фалшификации на произведения на изкуството и други предмети, които при гледане под видима светлина приличат на оригинали.

Ползите и вредите от инфрачервените лъчи

Дълго-вълновото инфрачервено излъчване се използва в медицината за:

• нормализиране на кръвното налягане чрез стимулиране на кръвообращението;
• почистване на тялото от соли и токсини на тежки метали;
• подобряване на кръвообращението и паметта на мозъка;
• нормализиране на хормоналния фон;
• поддържане на водно-солевия баланс;
• ограничения върху разпространението на гъби и микроби;
• облекчаване на болката;
• облекчаване на възпалението;
• повишаване на имунитета.

В същото време инфрачервеното лъчение може да бъде вредно при остри гнойни заболявания, кървене, остро възпаление, кръвни заболявания и злокачествени тумори. Неконтролираната продължителна експозиция води до зачервяване на кожата, изгаряния, дерматити, топлинен удар. Късите вълни инфрачервени лъчи са опасни за очите - може да се развие фотофобия, катаракта, зрително увреждане. Затова за отопление трябва да се използват само източници на дълги вълни.