Излучение инфракрасных лучей. Инфракрасное излучение и его влияние на человека

В 1800 году ученый Уильям Гершель объявил на заседании Лондонского Королевского общества о своем открытии. Он измерил температуру за пределами спектра и обнаружил невидимые лучи с большой нагревательной силой. Опыт проводился им с помощью светофильтров телескопа. Он заметил, что они в разной мере поглощают свет и тепло солнечных лучей.

Через 30 лет факт существования невидимых лучей, расположенных за красной частью видимого солнечного спектра, был неоспоримо доказан. Французский Беккерель назвал это излучение инфракрасным.

Свойства ИК-излучения

Спектр инфракрасного излучения состоит из отдельных линий и полос. Но он может быть так же непрерывным. Все зависит от источника ИК лучей. Иначе говоря, имеет значение кинетическая энергия или температура атома или молекулы. Любой элемент таблицы Менделеева в условиях разных температур имеет различные характеристики.

Например, инфракрасные спектры возбужденных атомов из-за относительного состояния покоя связки ядро - будут иметь строго линейчатые ИК-спектры. А возбужденные молекулы - полосатые, хаотично расположенные. Все зависит не только от механизма наложения собственных линейных спектров каждого атома. Но так же от взаимодействия этих атомов между собой.

При повышении температуры изменяется спектральная характеристика тела. Так, нагретые твердые и жидкие тела выделяют непрерывный инфракрасный спектр. При температурах ниже 300°С излучение нагретого твердого тела целиком расположено в инфракрасной области. От диапазона температур зависит как изучение ИК-волн, так применения их важнейших свойств.

Главные свойства ИК-лучей это поглощение и дальнейший нагрев тел. Принцип передачи тепла инфракрасными обогревателями отличается от принципов конвекции или теплопроводности. Находясь в потоке горячих газов, предмет теряет какое-то количество тепла, пока его температура ниже температуры нагретого газа.

И наоборот: если инфракрасные излучатели облучают предмет, еще не значит, что его поверхность данное излучение поглощает. Он может так же отражать, поглощать или пропускать лучи без потерь. Практически всегда облучаемый предмет поглощает часть этого облучения, часть отражает и часть пропускает.

Далеко не все светящиеся объекты или нагретые тела излучают ИК-волны. Например, люминесцентные лампы или пламя газовой плиты такого излучения не имеют. Принцип работы люминесцентных лам основан на свечении (фотолюминесценции). Ее спектр ближе всего к спектру дневного, белого света. Поэтому ИК-излучения в нём почти нет. А наибольшая интенсивность излучения пламени газовой плиты приходится на длину волны голубого цвета. У перечисленных нагретых тел ИК-излучение очень слабое.

Существуют так же вещества, которые прозрачны для видимого света, но не способны пропускать ИК-лучи. Например, слой воды толщиной несколько сантиметров не пропустит инфракрасное излучение с длиной волны больше 1 мкм. При этом человек может различить находящиеся на дне предметы невооруженным глазом.

ВВЕДЕНИЕ

Несовершенство собственной природы, компенсируемое гибкостью интеллекта, непрерывно толкало человека к поиску. Желание летать как птица, плавать как рыба, или, скажем, видеть ночью подобно кошке, воплощались в действительность по мере достижения требуемых знаний и технологий. Научные изыскания часто подстегивались нуждами военной деятельности, а результаты определялись существующим технологическим уровнем.

Расширение диапазона зрения для визуализации недоступной для глаз информации является одной из наиболее трудных задач, так как требует серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Первые успешные результаты в этом направлении были получены в 30-х годах XX века. Особенную актуальность проблема наблюдения в условиях низкой освещенности приобрела в ходе Второй мировой войны.

Естественно, усилия, затраченные в этом направлении, привели к прогрессу в научных исследованиях, медицине, техники связи и других областях.

ФИЗИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны (=
м) и коротковолновым радиоизлучением(=
м).Открыто инфракрасное излучение было в 1800 г. английским ученым У. Гершелем. Спустя 123 года после открытия инфракрасного излучения советский физик А.А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны равной приблизительно 80 мкм, т.е. располагающиеся в инфракрасном диапазоне длин волн. Это доказало, что свет, инфракрасные лучи и радиоволны имеют одинаковую природу, все это лишь разновидности обычных электромагнитных волн.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры излучают энергию в инфракрасном спектре.

ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ОБЪЕКТОВ

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь,

дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.

7. Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и

фотографическими.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Собственное Отраженное Ослабление Физические

тепловое объектами ИК ИК излучения особенности ИК

излучение излучение в атмосфере излучения фонов

ПОГЛОЩЕНИЕ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Спектр пропускания атмосферы в ближней и средней инфракрасной области (1,2-40 мкм) на уровне моря (нижняя кривая на графиках) и на высоте 4000 м (верхняя кривая); в субмиллиметровом диапазоне (300-500 мкм) излучение до поверхности Земли не доходит.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА

С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения.

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние. Приготовление пищи с помощью инфракрасных волн делает пищу особенно вкусной, сохраняет витамины и минералы, при этом не имеет ничего общего с микроволновыми печами.

Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, и из нее уходит не связанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови.

ОСОБЕННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В ИК ДИАПАЗОНЕ

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В двадцать первом веке началось внедрение инфракрасных излучений в нашу жизнь. Теперь оно находит применение в промышленности и в медицине, в быту и сельском хозяйстве. Оно универсально и может применяться для самых разнообразных целей. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане.

Приборы ночного видения - история поколений

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭОП

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от
м до
м.В качестве источника инфракрасного (ИК) излучения может рассматриваться любое тело (газообразное, жидкое, твердое) с температурой выше абсолютного нуля (-273°С). Зрительный анализатор человека не воспринимает лучи в инфракрасном диапазоне. Поэтому видовые демаскирующие признаки в этом диапазоне добываются с помощью специальных приборов (ночного видения, тепловизоров), имеющих худшее разрешение, чем глаз человека. В общем случае к демаскирующим признакам объекта в ИК-диапазоне относятся следующие: 1)геометрические характеристики внешнего вида объекта (форма, размеры, детали поверхности); 2) температура поверхности. Инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ. Нет такой области, где бы не пригодился природный метод передачи тепла. Ведь всем известно, умнее природы человеку не стать, мы можем лишь подражать ей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курбатов Л.Н. Краткий очерк истории разработок приборов ночного видения на основе электронных оптических преобразователей и усилителей изображения// Вопр. Оборон. Техники. Сер. 11. - 1994

2. Кощавцев Н.Ф., Волков В.Г. Приборы ночного видения//Вопр. Оборон. Техники. Сер. П.- 1993 - Вып. 3 (138).

3. Леконт Ж., Инфракрасное излучение. М.: 2002. 410 с.

4. Меньшаков Ю.К., М51 Защита объектов и информации от технических средств разведки. М.: Российск. Гос. Гуманит. У-т, 2002. 399 с.

Инфракрасное излучение (ИК ) - это электромагнитное излучение с большей длиной волны, чем видимый свет , простирающийся от номинального красного края видимого спектра на 0,74 мкм (микрон) до 300 мкм. Этот диапазон длин волн соответствует частоте диапазона примерно от 1 до 400 ТГц, и включает в себя большую часть теплового излучения, испускаемого объектами вблизи комнатной температуры. Инфракрасное излучение испускается или поглощается молекулами, когда они меняют свои вращательно-колебательные движения . Наличие инфракрасного излучения было впервые обнаружено в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем.

Большая часть энергии от Солнца поступает на Землю в виде инфракрасного излучения. Солнечный свет в зените обеспечивает освещённость чуть более 1 киловатта на квадратный метр над уровнем моря. Из этой энергии, 527 ватт инфракрасного излучения, 445 Вт является видимым светом, и 32 ватта ультрафиолетовым излучением.

Инфракрасный свет используется в промышленных, научных и медицинских нуждах. Приборы ночного видения с помощью инфракрасной подсветки позволяют людям наблюдать за животными, которые невозможно заметить в темноте. В астрономии изображение в инфракрасном диапазоне позволяет наблюдать объекты скрытые межзвездной пылью. Инфракрасные камеры используются для обнаружения потери тепла в изолированных системах, наблюдать изменение кровотока в коже, а также для обнаружения перегрева электрооборудования.

Инфракрасные изображения широко используются для военных и гражданских целей. Военные применения включают в себя такие цели как наблюдение, ночное наблюдение, наведение и слежение. Не для военного применения включают тепловую эффективность анализа, мониторинга окружающей среды, промышленной инспекции объектов, дистанционное зондирование температуры, короткодействующую беспроводную связь, спектроскопию и прогноз погоды. Инфракрасная астрономия использует датчик оборудованный телескопами для того, чтобы проникнуть в пыльные области пространства, такие как молекулярные облака, и обнаруживать объекты, такие как планеты .

Хотя ближневолновая инфракрасная область спектра (780-1000 нм) уже давно считается невозможной из-за шума в зрительных пигментах, ощущение ближнего инфракрасного света сохранилось у карпа и в трех видах циклид. Рыбы используют ближневолновую инфракрасную область спектра, чтобы захватить добычу и для фототактической ориентации во время плавания. Ближневолновая инфракрасная область спектра для рыбы может быть полезна в условиях плохой освещенности в сумерках и в мутных поверхностях воды.

Фотомодуляция

Ближний инфракрасный свет, или фотомодуляция, используется для лечения химиотерапией индуцированных язв, а также заживления ран. Существует ряд работ, связанных с лечением вируса герпеса. Исследовательские проекты включают в себя работу над изучением центральной нервной системы и лечебным воздействием через регуляцию цитохром и оксидаз и другие возможные механизмы.

Опасность для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в определенной отрасли и режиме высоких температур может быть опасно для глаз, в результате может привести к повреждению зрения или слепоте по отношению к пользователю. Поскольку излучение невидимо, необходимо надевать специальные инфракрасные очки в таких местах.

Земля как инфракрасный излучатель

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от солнца и вновь возвращают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом, капли облаков и водяные пары, а также диоксид углерода, метан, окись азота, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают инфракрасное излучение, и вновь возвращают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект сохраняет атмосферу и поверхность гораздо теплее, чем если бы инфракрасные амортизаторы отсутствовали в атмосфере.

История науки об инфракрасном излучении

Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, астроному, в начале 19 века. Гершель опубликовал результаты своих исследований в 1800 году до Лондонского королевского общества. Гершель использовал призму, чтобы преломить свет от солнца и обнаружить инфракрасное излучение, вне красной части спектра, через увеличение температуры, зарегистрированной на термометре. Он был удивлён результатом и назвал их «тепловыми лучами». Термин «инфракрасное излучение» появились только в конце 19 века.

Другие важные даты включают:

• 1737: Эмили дю Шатле предсказал, то, что сегодня известно как инфракрасное излучение в своей диссертации.
• 1835: Маседонио Мельони делает первые термобатареи с инфракрасным детектором.
• 1860: Густав Кирхгоф формулирует теорему абсолютно чёрного тела.
• 1873: Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость селена.
• 1879: Опытным путем сформулирован закон Стефана-Больцмана, согласно которому энергия , излученная абсолютно чёрным телом пропорциональна.
• 1880-е и 1890-е года: Лорд Рэлей и Вильгельм Вин оба решают часть уравнения абсолютно чёрного тела, но оба решения - приблизительные. Эту проблему называли «ультрафиолетовой катастрофой и инфракрасной катастрофой».
• 1901: Макс Планк Макс Планк издал уравнение абсолютно чёрного тела и теорему. Он решил проблему квантования допустимых энергетических переходов.
• 1905: Альберт Эйнштейн разрабатывает теорию фотоэлектрического эффекта, которая определяет фотоны. Также Уильям Коблентз в спектроскопии и радиометрии.
• 1917: Теодор Кейз разрабатывает датчик таллия-сульфида; британцы разрабатывают первый прибор инфракрасного поиска и слежения в Первой мировой войне и обнаруживают самолеты в диапазоне 1,6 км.
• 1935: Свинцовые соли - раннее ракетное руководство во Второй мировой войне.
• 1938: Тью Та предсказал, что пироэлектрический эффект может использоваться, чтобы обнаружить инфракрасную радиацию.
• 1952: Н. Уилкер обнаруживает антимониды, соединения сурьмы с металлами.
• 1950: Поль Круз и техасские инструменты образуют инфракрасные изображения до 1955 года.
• 1950-е и 1960-е годы: Спецификация и радиометрические подразделения, определенные Фредом Никодеменасом, Робертом Кларком Джоунсом.
• 1958: У. Д. Лоусон (Королевское Радарное Учреждение в Мальверне) обнаруживает свойства обнаружения ИК-фотодиодом.
• 1958: Фэлкон разработал ракеты с использованием инфракрасного излучения и появляется первый учебник по инфракрасным датчикам Поля Круза, и др.
• 1961: Джей Купер изобрёл пироэлектрическое обнаружение.
• 1962: Kruse и Родат продвигают фотодиоды; элементы сигналов и линейных массивов доступны.
• 1964: У. Г. Эванс обнаруживает инфракрасные терморецепторы у жука.
• 1965: Первый инфракрасный справочник, первые коммерческие тепловизоры; сформирована лаборатория ночного видения в армии Соединённых Штатов Америки (в настоящее время лаборатория управления ночного видения и электронными датчиками.
• 1970: Уиллард Бойл и Джордж Э.Смит предлагают прибор с зарядовой связью для телефона с изображениями.
• 1972: Создан общий программный модуль.
• 1978: Инфракрасная астрономия изображений достигает совершеннолетия, запланировано создание обсерватории, массовое производство антимонидов и фотодиодов и других материалов.

Что представляет собой инфракрасное излучение? Определение гласит, что инфракрасными лучами является электромагнитное излучение, которое подчиняется оптическим законам и имеет природу видимого света. Инфракрасные лучи имеют спектральную зону, находящуюся между красным видимым светом и коротковолновым радиоизлучением. Для инфракрасной области спектра имеется разделение на коротковолновые, средневолновые и длинноволновые. Обогревающий эффект от таких лучей высокий. Принята аббревиатура для инфракрасных излучения — ИК.

ИК-излучение

Производители сообщают разную информацию об обогревающих приборах, сконструированных по принципу рассматриваемого излучения. На одних может быть указано, что прибор инфракрасный, на другом — что он длинноволновый или темный. Все это на практике относится к инфракрасному излучению, длинноволновые обогреватели обладают наименьшей температурой излучающей поверхности, и выделяются волны в большей массе в длинноволновой зоне спектра. Они же получили наименование темных, так как при температуре они не отдают света и не сияют, как в других случаях. У средневолновых обогревателей температура поверхностей более высокая, и они получили название серых. К светлым относится коротковолновый прибор.

Оптические характеристики вещества в инфракрасных областях спектра имеют отличия от оптического свойства в обычной повседневности. Обогревательные приборы, которые используются человеком каждый день, отдают инфракрасные лучи, но вы их не видите. Вся разница в длине волны, она варьируется. Обычный радиатор отдает лучи, именно таким образом происходит нагрев в комнате. Волны инфракрасного излучения присутствуют в жизни человека естественным путем, солнце отдает именно их.

Инфракрасное излучение относится к разряду электромагнитных, то есть глазами его не увидеть. Длина волны находится в диапазоне от 1 миллиметра до 0,7 микрометра. Самым большим источником ик-лучей является солнце.

ИК-лучи для отопления

Наличие отопления, основанное на этой технологии, позволяет избавиться от недостатков конвекционной системы, которая связана с циркуляцией потока воздуха в помещениях. Конвекция поднимает и переносит пыль, мусор, создает сквозняк. Если поставить электрический инфракрасный обогреватель, то он будет работать по принципу солнечных лучей, эффект будет как от солнечного тепла в прохладную погоду.

Инфракрасная волна является формой энергии, это естественный механизм, позаимствованный в природе. Эти лучи способны нагревать не только предметы, но и само воздушное пространство. Волны пронизывают воздушные слои и обогревают предметы и живые ткани. Локализация источника рассматриваемого излучения не так важна, если прибор стоит на потолке, до пола греющие лучи будут прекрасно доходить. Важно, что инфракрасное излучение позволяет оставлять воздух влажным, оно не высушивает его, как это делают другие виды отопительных приборов. Производительность приборов на основе инфракрасного излучения крайне высокая.

Инфракрасное излучение не требует больших энергетических затрат, поэтому возникает экономия для бытового использования данной разработки. Ик-лучи подходят для работы на больших пространствах, главное, верно выбрать длину лучей и настроить правильно приборы.

Вред и польза инфракрасного излучения

Длинные инфракрасные лучи, попадающие на кожу, вызывают реакцию нервных рецепторов. Это обеспечивает наличие тепла. Поэтому во многих источниках инфракрасное излучение получает название теплового. Большая часть излучаемого оказывается поглощена влажностью, которая содержится в верхнем слое кожного покрова человека. Поэтому повышается температура кожи, и за счет этого происходит обогрев всего тела.

Бытует мнение, что ик-излучение приносит вред. Это не так.

Исследования показывают, что длинноволновые излучения безопасны для организма, более того, от них есть польза.

Они усиливают иммунитет, стимулируют регенерацию и улучшение состояния внутренних органов. Эти лучи с длиной 9,6 мкм используются в медицинской практике с лечебными целями.

Коротковолновое ик-излучение работает иначе. Оно проникает глубоко в ткани и греет внутренние органы, минуя кожный покров. Если облучать кожу такими лучами, то капиллярная сетка расширяется, кожа краснеет, и могут появиться признаки ожога. Для глаз такие лучи опасны, они приводят к образованию катаракты, нарушают водно-солевой баланс, провоцируют судороги.

Тепловой удар человек получает из-за коротковолнового излучения. Если повысить температуру головного мозга хотя бы на градус, то уже появляются признаки удара или отравления:

• тошнота;
• частый пульс;
• затемнение в глазах.

Если перегрев происходит на два и более градуса, то развивается менингит, который опасен для жизни.

Интенсивность инфракрасного излучения зависит от некоторых факторов. Важно расстояние до нахождения источников тепла и показатель температурного режима. Длинноволновое инфракрасное излучение важно в жизнедеятельности, и без него обойтись нельзя. Вред может быть только тогда, когда длина волны неправильная, и время, которое она воздействует на человека, большое.

Как обезопасить человека от вреда инфракрасного излучения?

Не все инфракрасные волны вредны. Следует опасаться коротковолновой инфракрасной энергии. Где она встречается в повседневной жизни? Нужно избегать тел с температурой выше 100 градусов. К этой категории относятся сталеплавильное оборудование, электродуговая печь. На производствах сотрудники носят специально разработанное обмундирование, оно обладает защитным экраном.

Самым полезным инфракрасным обогревающим средством являлась русская печь, тепло от нее было лечебным и полезным. Однако сейчас никто такими приспособлениями не пользуется. Инфракрасные обогреватели прочно вошли в обиход, а инфракрасные волны используются широко в промышленности.

Если спираль, отдающая тепло, в инфракрасном приборе защищена теплоизолятором, то излучение будет мягким и длинноволновым, а это безопасно. Если у прибора открытый нагревательный элемент, то инфракрасное излучение будет жестким, коротковолновым, и это опасно для здоровья.

Для того чтобы разобраться в конструкции прибора, нужно изучить технический паспорт. Там будет информация об инфракрасных лучах, используемых в конкретном случае. Обращайте внимание, какова длина волны.

Не всегда однозначно вредно инфракрасное излучение, испускают опасность только открытые источники, короткие лучи и длительное нахождение под ними.

Следует беречь глаза от источника волн, при появлении дискомфорта уходить из-под влияния ИК-лучей. Если на коже появляется непривычная сухость, значит, лучи сушат липидный слой, а это очень хорошо.

Инфракрасное излучение в полезных диапазонах используется в качестве лечения, методы физиотерапии основываются на работе с лучами и электродами. Однако все воздействие проводится под наблюдением специалистов, самостоятельно лечиться инфракрасными приборами не стоит. Время действия должно быть строго определено медицинскими показаниями, нужно исходить из целей и задач лечения.

Считается, что инфракрасное излучение неблагоприятно для систематического воздействия на маленьких детей, поэтому желательно тщательно выбирать обогревательные приборы для спальни и детских комнат. Потребуется помощь специалистов, чтобы настроить безопасную и эффективную инфракрасную сетку в квартире или доме.

Не стоит отказываться от современных технологий из-за предрассудков по незнанию.

Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны в невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 1012 и 5∙1014 Гц (или находится в диапазоне длин волн 1–750 нм). Название происходит от латинского слова infra и означает «ниже красного».

Применение инфракрасных лучей разнообразно. Они используются для визуализации объектов в темноте или в дыму, отопления саун и подогрева крыльев воздушных судов для защиты от обледенения, в ближней связи и при проведении спектроскопического анализа органических соединений.

Открытие

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. британским музыкантом и астрономом-любителем немецкого происхождения Уильямом Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры.

ИК-излучение и тепло

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло – это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов.

Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Земля как источник инфракрасного излучения

Поверхность нашей планеты и облака поглощают солнечную энергию, большую часть которой в виде ИК-радиации отдают в атмосферу. Определенные вещества в ней, в основном пар и капли воды, а также метан, углекислый газ, оксид азота, хлорфторуглероды и гексафторид серы, поглощают в инфракрасной области спектра и переизлучают во всех направлениях, в том числе на Землю. Поэтому из-за парникового эффекта земная атмосфера и поверхность намного теплее, чем если бы вещества, поглощающие ИК-лучи, в воздухе отсутствовали.

Это излучение играет важную роль в теплопередаче и является неотъемлемой частью так называемого парникового эффекта. В глобальном масштабе влияние инфракрасных лучей распространяется на радиационный баланс Земли и затрагивает почти всю биосферную активность. Практически каждый объект на поверхности нашей планеты испускает электромагнитное излучение в основном в этой части спектра.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

• ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
• коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
• средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
• длинноволновый (8-15 мкм);
• дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия – в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному – где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750–780 нм.

Обозначения в системах связи

Оптическая связь в ближней ИК-области технически подразделяется на ряд полос частот. Это связано с различными источниками света, поглощающими и передающими материалами (волокнами) и детекторами. К ним относятся:

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

Термография

Термография, или тепловидение – это тип инфракрасного изображения объектов. Поскольку все тела излучают в ИК-диапазоне, а интенсивность радиации увеличивается с температурой, для ее обнаружения и получения снимков можно использовать специализированные камеры с ИК-датчиками. В случае очень горячих объектов в ближней инфракрасной или видимой области, этот метод называется пирометрией.

Термография не зависит от освещения видимым светом. Следовательно, можно «видеть» окружающую среду даже в темноте. В частности, теплые предметы, в том числе люди и теплокровные животные, хорошо выделяются на более холодном фоне. Инфракрасная фотография ландшафта улучшает отображение объектов в зависимости от их теплоотдачи: голубое небо и вода кажутся почти черными, а зеленая листва и кожа ярко проявляются.

Исторически термография широко использовалась военными и службами безопасности. Кроме того, она находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать горячие точки во время пожара. Термография может выявить патологический рост тканей и дефекты в электронных системах и схемах из-за их повышенного выделения тепла. Электрики, обслуживающие линии электропередач, могут обнаружить перегревающиеся соединения и детали, что сигнализирует о нарушении их работы, и устранить потенциальную опасность. При нарушении теплоизоляции специалисты-строители могут увидеть утечки тепла и повысить эффективность систем охлаждения или обогрева. В некоторых автомобилях высокого класса тепловизоры устанавливаются для помощи водителю. С помощью термографических изображений можно контролировать некоторые физиологические реакции у людей и теплокровных животных.

Внешний вид и способ работы современной термографической камеры не отличаются от таковых у обычной видеокамеры. Возможность видеть в инфракрасном спектре является настолько полезной функцией, что возможность записи изображений часто является опциональной, и модуль записи не всегда доступен.

Другие изображения

В ИК-фотографии ближний инфракрасный диапазон захватывается с помощью специальных фильтров. Цифровые фотоаппараты, как правило, блокируют ИК-излучение. Однако дешевые камеры, у которых нет соответствующих фильтров, способны «видеть» в ближнем ИК-диапазоне. При этом обычно невидимый свет выглядит ярко-белым. Особенно это заметно во время съемки вблизи освещенных инфракрасных объектов (например, лампы), где возникающие помехи делают снимок блеклым.

Также стоит упомянуть Т-лучевую визуализацию, которая представляет собой получение изображения в дальнем терагерцовом диапазоне. Отсутствие ярких источников делает такие снимки технически более сложными, чем большинство других методов ИК-визуализации.

Светодиоды и лазеры

Искусственные источники инфракрасного излучения включают, помимо горячих объектов, светодиоды и лазеры. Первые представляют собой небольшие недорогие оптоэлектронные устройства, изготовленные из таких полупроводниковых материалов, как арсенид галлия. Они используются в качестве оптоизоляторов и в качестве источников света в некоторых системах связи на основе волоконной оптики. Мощные ИК-лазеры с оптической накачкой работают на основе двуокиси и окиси углерода. Они используются для инициации и изменения химических реакций и разделения изотопов. Кроме того, они применяются в лидарных системах определения дистанции до объекта. Также источники инфракрасного излучения используются в дальномерах автоматических самофокусирующих камер, охранной сигнализации и оптических приборах ночного видения.

ИК-приемники

К приборам обнаружения ИК-излучения относятся термочувствительные устройства, такие как термопарные детекторы, болометры (некоторые из них охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы снизить помехи от самого детектора), фотогальванические элементы и фотопроводники. Последние изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, кремния и сульфида свинца), электрическая проводимость которых увеличивается при воздействии инфракрасных лучей.

Обогрев

Инфракрасное излучение используется для нагрева – например, для отопления саун и удаления льда с крыльев самолетов. Кроме того, оно все чаще применяется для плавления асфальта во время укладки новых дорог или ремонта поврежденных участков. ИК-излучение может использоваться при приготовлении и подогреве пищи.

Связь

ИК-длины волн применяются для передачи данных на небольшие расстояния, например, между компьютерной периферией и персональными цифровыми помощниками. Эти устройства обычно соответствуют стандартам IrDA.

ИК-связь обычно используется внутри помещений в районах с высокой плотностью населения. Это наиболее распространенный способ дистанционного управления устройствами. Свойства инфракрасных лучей не позволяют им проникать сквозь стены, и поэтому они не взаимодействуют с техникой в соседних помещениях. Кроме того, ИК-лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных системах связи.

Спектроскопия

Инфракрасная радиационная спектроскопия – это технология, используемая для определения структур и составов (главным образом) органических соединений путем изучения пропускания ИК-излучения через образцы. Она основана на свойствах веществ поглощать определенные его частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Характеристики инфракрасного поглощения и излучения молекул и материалов дают важную информацию о размере, форме и химической связи молекул, атомов и ионов в твердых телах. Энергии вращения и вибрации квантуются во всех системах. ИК-излучение энергии hν, испускаемое или поглощаемое данной молекулой или веществом, является мерой разности некоторых внутренних энергетических состояний. Они, в свою очередь, определяются атомным весом и молекулярными связями. По этой причине инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом определения внутренней структуры молекул и веществ или, когда такая информация уже известна и табулирована, их количества. ИК-методы спектроскопии часто используются для определения состава и, следовательно, происхождения и возраста археологических образцов, а также для обнаружения подделок произведений искусства и других предметов, которые при осмотре под видимым светом напоминают оригиналы.

Польза и вред инфракрасных лучей

Длинноволновое ИК-излучение применяется в медицине с целью:

• нормализации артериального давления путем стимуляции кровообращения;
• очищения организма от солей тяжелых металлов и токсинов;
• улучшения кровообращения мозга и памяти;
• нормализации гормонального фона;
• поддержания водно-солевого баланса;
• ограничения распространения грибков и микробов;
• обезболивания;
• снятия воспаления;
• укрепления иммунитета.

Вместе с тем ИК-излучение может нанести вред при острых гнойных заболеваниях, кровотечениях, острых воспалениях, болезнях крови, злокачественных опухолях. Неконтролируемое продолжительное воздействие ведет к покраснению кожи, ожогам, дерматиту, тепловому удару. Коротковолновые ИК-лучи опасны для глаз – возможно развитие светобоязни, катаракты, нарушений зрения. Поэтому для отопления должны применяться исключительно источники длинноволнового излучения.