Інфрачервоні промені: властивості, області застосування, вплив на людину. Джерела інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоні промені: властивості, області застосування, вплив на людину. Джерела інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоні промені - це електромагнітні хвилі в невидимій області електромагнітного спектру, яка починається за видимим червоним світлом і закінчується перед мікрохвильовим випромінюванням між частотами 1012 і 5 1014 Гц (або знаходиться в діапазоні довжин хвиль 1-750 нм). Назва походить від латинського слова infra і означає "нижче червоного".

Застосування інфрачервоних променів різноманітне. Вони використовуються для візуалізації об 'єктів в темряві або в диму, опалення саун і підігріву крил повітряних суден для захисту від обмерзання, в ближньому зв' язку і при проведенні спектроскопічного аналізу органічних сполук.


Відкриття

Інфрачервоні промені були виявлені в 1800 р. британським музикантом і астрономом-любителем німецького походження Вільямом Гершелем. Він за допомогою призми розділив сонячне світло на складові його компоненти і за червоною частиною спектра за допомогою термометра зареєстрував збільшення температури.

ІК-випромінювання і тепло

Інфрачервоне випромінювання часто називають тепловим. Слід, однак, зазначити, що воно є лише його наслідком. Тепло - це міра поступальної енергії (енергії руху) атомів і молекул речовини. "Температурні" датчики фактично вимірюють не тепло, а тільки відмінності в ВК-випромінюванні різних об 'єктів.

Багато вчителів фізики інфрачервоним променям традиційно приписують всю теплову радіацію Сонця. Але це не зовсім так. З видимим сонячним світлом надходить 50% всього тепла, і електромагнітні хвилі будь-якої частоти при достатній інтенсивності можуть викликати нагрів. Однак справедливо буде сказати, що при кімнатній температурі об 'єкти виділяють тепло в основному в смузі середнього інфрачервоного діапазону.

ІК-випромінювання поглинається і випускається обертаннями і вібраціями хімічно пов 'язаних атомів або їх груп і, отже, багатьма видами матеріалів. Наприклад, прозоре для видимого світла віконне скло ВК-радіацію поглинає. Інфрачервоні промені значною мірою абсорбуються водою і атмосферою. Хоча вони і невидимі для очей, їх можна відчути шкірою.

Земля як джерело інфрачервоного випромінювання

Поверхня нашої планети і хмари поглинають сонячну енергію, більшу частину якої у вигляді ВК-радіації віддають в атмосферу. Певні речовини в ній, в основному пар і краплі води, а також метан, вуглекислий газ, оксид азоту, хлорфторвуглеці та гексафторид сірки, поглинають в інфрачервоній області спектра і перевипромінюють у всіх напрямках, в тому числі на Землю. Тому через парниковий ефект земна атмосфера і поверхня набагато тепліші, ніж якби речовини, що поглинають ВК-промені, в повітрі були відсутні.

Це випромінювання відіграє важливу роль у теплопередачі і є невід 'ємною частиною так званого парникового ефекту. У глобальному масштабі вплив інфрачервоних променів поширюється на радіаційний баланс Землі і зачіпає майже всю біосферну активність. Практично кожен об 'єкт на поверхні нашої планети випускає електромагнітне випромінювання в основному в цій частині спектру.


Області ІК-діапазону

ІК-діапазон часто поділяється на більш вузькі ділянки спектру. Німецький інститут стандартів DIN визначив такі області довжин хвиль інфрачервоних променів:

  • ближній (0,75-1,4 мкм), зазвичай використовується у волоконно-оптичному зв 'язку;
  • короткохвильовий (1,4-3 мкм), починаючи з якого значно зростає поглинання ВК-випромінювання водою;
  • середньохвильовий, також званий проміжним (3-8 мкм);
  • довгохвильовий (8-15 мкм);
  • дальній (15-1000 мкм).

Однак ця схема класифікації не використовується повсюдно. Наприклад, у деяких дослідженнях вказуються такі діапазони: ближній (0,75-5 мкм), середній (5-30 мкм) і довгий (30-1000 мкм). Довжини хвиль, що використовуються в телекомунікації, підрозділюються на окремі смуги через обмеження детекторів, підсилювачів і джерел.

Загальна система позначень виправдана реакціями людини на інфрачервоні промені. Ближня ВК-область найбільш близька до довжини хвилі, видимої людським оком. Середнє і далеке ІК-випромінювання поступово віддаляються від видимої частини спектра. Інші визначення дотримуються різних фізичних механізмів (таких як піки емісії і поглинання води), а найновіші засновані на чутливості використовуваних детекторів. Наприклад, звичайні кремнієві сенсори чутливі в області близько 1050 нм, а арсенід індій-галія - в діапазоні від 950 нм до 1700 і 2200 нм.

Чітка межа між інфрачервоним і видимим світлом не визначена. Око людини значно менш чутливе до червоного світла, що перевищує довжину хвилі 700 нм, проте інтенсивне світіння (лазера) можна бачити приблизно до 780 нм. Початок ІК-діапазону визначається в різних стандартах по-різному - десь між цими значеннями. Зазвичай це 750 нм. Тому видимі інфрачервоні промені можливі в діапазоні 750-780 нм.

Позначення у системах зв 'язку

Оптичний зв 'язок у ближній ВК-області технічно підрозділюється на ряд смуг частот. Це пов 'язано з різними джерелами світла, поглинаючими і передавальними матеріалами (волокнами) і детекторами. До них належать:

  • О-діапазон 1,260-1,360 нм.
  • Е-діапазон 1,360-1,460 нм.
  • S-діапазон 1,460-1,530 нм.
  • C-діапазон 1,530-1,565 нм.
  • L-діапазон 1,565-1,625 нм.
  • U-діапазон 1,625-1,675 нм.

Термографія

Термографія, або тепловидіння - це тип інфрачервоного зображення об 'єктів. Оскільки всі тіла випромінюють в ВК-діапазоні, а інтенсивність радіації збільшується з температурою, для її виявлення та отримання знімків можна використовувати спеціалізовані камери з ВК-датчиками. У разі дуже гарячих об 'єктів ближньої інфрачервоної або видимої області цей метод називається пірометрією.

Термографія не залежить від освітлення видимим світлом. Отже, можна "бачити" навколишнє середовище навіть у темряві. Зокрема, теплі предмети, в тому числі люди і теплокровні тварини, добре виділяються на більш холодному тлі. Інфрачервона фотографія ландшафту покращує відображення об 'єктів залежно від їх тепловіддачі: блакитне небо і вода здаються майже чорними, а зелене листя і шкіра яскраво проявляються.


Історично термографія широко використовувалася військовими і службами безпеки. Крім того, вона знаходить безліч інших застосувань. Наприклад, пожежники використовують її, щоб бачити крізь дим, знаходити людей і локалізувати гарячі точки під час пожежі. Термографія може виявити патологічне зростання тканин і дефекти в електронних системах і схемах через їх підвищене виділення тепла. Електрики, що обслуговують лінії електропередач, можуть виявити перегрівання сполук і деталі, що сигналізує про порушення їхньої роботи, і усунути потенційну небезпеку. При порушенні теплоізоляції фахівці-будівельники можуть побачити витоки тепла і підвищити ефективність систем охолодження або обігріву. У деяких автомобілях високого класу тепловізори встановлюються для допомоги водієві. За допомогою термографічних зображень можна контролювати деякі фізіологічні реакції у людей і теплокровних тварин.

Зовнішній вигляд і спосіб роботи сучасної термографічної камери не відрізняються від таких у звичайної відеокамери. Можливість бачити в інфрачервоному спектрі є настільки корисною функцією, що можливість запису зображень часто є опціональною, і додаток запису не завжди доступний.

Інші зображення

В ВК-фотографії ближній інфрачервоний діапазон захоплюється за допомогою спеціальних фільтрів. Цифрові фотоапарати, як правило, блокують ВК-випромінювання. Однак дешеві камери, у яких немає відповідних фільтрів, здатні "бачити" в ближньому ВК-діапазоні. При цьому зазвичай невидиме світло виглядає яскраво-білим. Особливо це помітно під час зйомки поблизу освітлених інфрачервоних об 'єктів (наприклад, лампи), де виникають перешкоди роблять знімок бляклим.

Також варто згадати Т-променеву візуалізацію, яка являє собою отримання зображення в дальньому терагерцевому діапазоні. Відсутність яскравих джерел робить такі знімки технічно складнішими, ніж більшість інших методів ВК-візуалізації.

Світлодіоди та лазери

Штучні джерела інфрачервоного випромінювання включають, крім гарячих об 'єктів, світлодіоди і лазери. Перші являють собою невеликі недорогі оптоелектронні пристрої, виготовлені з таких напівпровідникових матеріалів, як арсенід галію. Вони використовуються в якості оптоізоляторів і в якості джерел світла в деяких системах зв 'язку на основі волоконної оптики. Потужні ВК-лазери з оптичною накачкою працюють на основі двоокису та окису вуглецю. Вони використовуються для ініціації та зміни хімічних реакцій і поділу ізотопів. Крім того, вони застосовуються в лідарних системах визначення дистанції до об 'єкта. Також джерела інфрачервоного випромінювання використовуються в далекомірах автоматичних самофокусуючих камер, охоронної сигналізації та оптичних приладах нічного бачення.


ІК-приймачі

До приладів виявлення ВК-випромінювання належать термочутливі пристрої, такі як термопаркові детектори, болометри (деякі з них охолоджуються до температур, близьких до абсолютного нуля, щоб знизити перешкоди від самого детектора), фотогальванічні елементи і фотопровідники. Останні виготовляються з напівпровідникових матеріалів (наприклад, кремнію і сульфіду свинцю), електрична провідність яких збільшується при впливі інфрачервоних променів.

Обігрів

Інфрачервоне випромінювання використовується для нагрівання - наприклад, для опалення саун і видалення льоду з крил літаків. Крім того, воно все частіше застосовується для плавлення асфальту під час укладання нових доріг або ремонту пошкоджених ділянок. ІК-випромінювання може використовуватися при приготуванні та підігріві їжі.

Зв 'язок

ІК-довжини хвиль застосовуються для передачі даних на невеликі відстані, наприклад, між комп 'ютерною периферією і персональними цифровими помічниками. Ці пристрої зазвичай відповідають стандартам IrDA.

ІК-зв 'язок зазвичай використовується всередині приміщень у районах з високою щільністю населення. Це найбільш поширений спосіб дистанційного керування пристроями. Властивості інфрачервоних променів не дозволяють їм проникати крізь стіни, і тому вони не взаємодіють з технікою в сусідніх приміщеннях. Крім того, ІК-лазери використовуються в якості джерел світла в оптоволоконних системах зв 'язку.

Спектроскопія

Інфрачервона радіаційна спектроскопія - це технологія, що використовується для визначення структур і складів (головним чином) органічних сполук шляхом вивчення пропускання ВК-випромінювання через зразки. Вона заснована на властивостях речовин поглинати певні його частоти, які залежать від розтягнення і вигину всередині молекул зразка.


Характеристики інфрачервоного поглинання і випромінювання молекул і матеріалів дають важливу інформацію про розмір, форму і хімічний зв 'язок молекул, атомів і іонів у твердих тілах. Енергії обертання і вібрації квантуються у всіх системах. ІК-випромінювання енергії h^, що випускається або поглинається даною молекулою або речовиною, є мірою різності деяких внутрішніх енергетичних станів. Вони, у свою чергу, визначаються атомною вагою і молекулярними зв 'язками. З цієї причини інфрачервона спектроскопія є потужним інструментом визначення внутрішньої структури молекул і речовин або, коли така інформація вже відома і табульована, їх кількості. ІК-методи спектроскопії часто використовуються для визначення складу і, отже, походження і віку археологічних зразків, а також для виявлення підробок творів мистецтва та інших предметів, які при огляді під видимим світлом нагадують оригінали.

Користь та шкода інфрачервоних променів

Довгохвильове ВК-випромінювання застосовується в медицині з метою:

  • нормалізації артеріального тиску шляхом стимуляції кровообігу;
  • очищення організму від солей важких металів і токсинів;
  • поліпшення кровообігу мозку і пам 'яті;
  • нормалізації гормонального фону;
  • підтримання водно-сольового балансу;
  • обмеження поширення грибків і мікробів;
  • знеболення;
  • зняття запалення;
  • зміцнення імунітету.

Разом з тим ВК-випромінювання може завдати шкоди при гострих гнійних захворюваннях, кровотечах, гострих запаленнях, хворобах крові, злоякісних пухлинах. Неконтрольований тривалий вплив веде до почервоніння шкіри, опіків, дерматиту, теплового удару. Короткохвильові ВК-промені небезпечні для очей - можливий розвиток світлобоязні, катаракти, порушень зору. Тому для опалення повинні застосовуватися виключно джерела довгохвильового випромінювання.