Основные свойства инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи: свойства, области применения, влияние на человека. Источники инфракрасного излучения

> Инфракрасные волны

Что такое инфракрасные волны : длина волны инфракрасного излучения, диапазон инфракрасных волн и частота. Изучите схемы инфракрасного спектра и источники.

Инфракрасный свет (ИК) – электромагнитные лучи, которые по показателю длин волн превышает видимый (0.74-1 мм).

Задача обучения

• Разобраться в трех диапазонах ИК-спектра и описать процессы поглощения и излучения молекулами.

Основные моменты

• ИК-свет вмещает большую часть теплового излучения, создаваемого телами примерно комнатной температуры. Излучается и поглощается, если во вращении и колебании молекул происходят изменения.
• ИК часть спектра можно разбить на три области по длине волн: дальний инфракрасный (300-30 ТГц), средний (30-120 ТГц) и ближний (120-400 ТГц).
• ИК также именуют тепловым излучением.
• Важно разобраться в концепции излучательной способности, чтобы понять ИК.
• ИК-лучи можно применить для дистанционного определения температуры объектов (термография).

Термины

• Термография – дистанционное вычисление перемен температуры тела.
• Тепловая радиация – электромагнитное излучение, создаваемое телом из-за температуры.
• Излучательная способность – умение поверхности излучать.

Инфракрасные волны

Инфракрасный (ИК) свет – электромагнитные лучи, которые по показателю длин волн превосходят видимый свет (0.74-1 мм). Диапазон инфракрасных волн сходится с диапазоном частот 300-400 ТГц и вмещает огромное количество теплового излучения. ИК-свет поглощается и излучается молекулами при изменении во вращении и колебаниях.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличаются, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Подкатегории ИК-волн

ИК-часть электромагнитного спектра занимает диапазон от 300 ГГц (1 мм) до 400 ТГц (750 нм). Можно выделить три вида инфракрасных волн:

• Дальний ИК-диапазон: 300 ГГц (1 мм) до 30 ТГц (10 мкм). Нижнюю часть можно именовать микроволнами. Эти лучи поглощаются из-за вращения в газофазных молекулах, молекулярных движениях в жидкостях и фотонов в твердых телах. Вода в земной атмосфере так сильно поглощается, что делает ее непрозрачной. Но есть определенные длины волн (окна), используемые для пропускания.
• Средний ИК-диапазон: 30 до 120 ТГц (от 10 до 2.5 мкм). Источниками выступают горячие объекты. Поглощается колебаниями молекул (разнообразные атомы вибрируют в позициях равновесия). Иногда этот диапазон именуют отпечатком пальца, потому что это специфическое явление.
• Ближайший ИК-диапазон: 120 до 400 TГц (2500-750 нм). Эти физические процессы напоминают те, что происходят в видимом свете. Наиболее высокие частоты можно найти определенной разновидностью фотографической пленки и датчиками для инфракрасной, фото- и видеосъемки.

Тепло и тепловое излучение

Инфракрасное излучение именуют также тепловым. ИК-свет от Солнца охватывает всего 49% земного нагрева, а все остальное – видимый свет (поглощается и повторно отбивается на более длинных волнах).

Тепло – энергия в переходной форме, которая течет из-за разницы в температурных показателях. Если тепло передается теплопроводностью или конвекцией, то излучение способно распространяться в вакууме.

Чтобы разобраться в ИК-лучах, следует внимательно рассмотреть концепцию излучательной способности.

Источники ИК-волн

Люди и большая часть планетарного окружения создают тепловые лучи на 10 мкм. Это граница, отделяющая среднюю и дальнюю ИК-области. Многие астрономические тела испускают улавливаемое количество ИК-лучей на нетепловых длинах волн.

ИК-лучи можно использовать, чтобы вычислять температурные показатели объектов на расстоянии. Этот процесс именуют термографией и активнее всего используют в военном и промышленном употреблении.

Термографическое изображение собаки и кошки

ИК-волны также используют в отоплении, связи, метеорологии, спектроскопии, астрономии, биологии и медицине, а также анализе произведений искусства.

Перевод Дмитрия Викторова

Аббревиатура: ИК излучение
Определение: невидимое излучение с длинами волн примерно от 750 нм до 1мм.

Инфракрасное излучение - это излучение с длиной волны больше чем 700 - 800 нм, верхняя граница видимого диапазона длин волн. Эта граница не определяет, как снижается чувствительность глаза к видимому излучению в данной спектральной области.

Несмотря на то, что чувствительность глаза к видимому излучению, например, при 700 нм уже очень слабая, излучение от некоторых лазерных диодов с длиной волны выше 750 нм все равно можно увидеть, если это излучение достаточно интенсивно. Такое излучение может быть вредно для глаз, даже если оно не воспринимается как очень яркое. Верхний предел инфракрасной области спектра с точки зрения длины волны также четко не определен, под ним обычно понимается примерно 1 мкм.

Для того, чтобы "видеть" в инфракрасном свете, используются приборы ночного видения .

Для областей инфракрасного спектра используется следующая классификация:

• - ближняя инфракрасная область спектра (также называется ИК-A) составляет ~ от 700 до 1400 нм. Лазеры, излучающие в этом диапазоне длин волн, особенно опасны для глаз, так как ближнее инфракрасное излучение передается и фокусируется на чувствительной сетчатки так же, как видимый свет, в то же время не вызывает защитного рефлекса моргания. Необходима соответствующая защита для глаз.
• - коротковолновый инфракрасный (ИК-B) распространяется от 1,4 до 3 мкм . Этот диапазон является относительно безопасным для глаз, так как такое излучение будет поглощено веществом глаза прежде, чем оно сможет достичь сетчатки. Легированные эрбием волоконные усилители для оптоволоконной связи работают в этом диапазоне.
• - средневолновый инфракрасный диапазон (ИК-C) от 3 до 8 мкм . Атмосфера испытывает сильное поглощение в этом диапазоне. Существует много линий поглощений, например, для двуокиси углерода (CO2) и водяного пара (H2O). Многие газы обладают сильными и характерными линиями поглощения среднего ИК излучения, что делает эту область спектра интересной для высокочувствительной газовой спектроскопии.
• - длинноволновый ИК варьируется от 8 до 15 мкм , следуя за дальним инфракрасным, который распространяется до 1 мм, в литературе иногда он начинается уже с 8 мкм. Длинноволновую ИК область спектра используют для тепловидения.

Однако следует отметить, что определения этих терминов существенно различаются в литературе. Большая часть стекол прозрачна для ближнего инфракрасного излучения, но сильно поглощает излучение больших длин волн, при этом фотоны этого излучения могут быть напрямую превращены в фононы. Для кварцевого стекла, используемого в кварцевых волокнах, сильное поглощение происходит после 2 мкм.

Инфракрасное излучение также называется тепловым излучением, так как тепловое излучение от нагретых тел находится в большей степени в инфракрасной области. Даже при комнатной температуре и ниже, тела выделяют значительное количество среднего и дальнего инфракрасного излучения, который может быть использован для тепловидения.
Например, инфракрасные изображения нагретого зимой дома могут выявить утечки тепла (например, на окнах, крыше, или в плохо изолированных стенах за радиаторами) и тем самым помогают принять эффективные меры по улучшению.

По материалам интернет-портала

Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами .

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;
• средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;
• длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн - терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым » излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

История открытия и общая характеристика

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы . Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами - детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением .

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте .

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов .

Применение

Медицина

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .

Дистанционное управление

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления , системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата .

При покраске

Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.

Стерилизация пищевых продуктов

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Антикоррозийное средство

Инфракрасные лучи применяются с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком.

Пищевая промышленность

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал , белок , липиды). Конвейерные сушильные транспортёры с успехом могут использоваться при закладке зерна в зернохранилища и в мукомольной промышленности.

Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств. Инфракрасные обогреватели используются для организации дополнительного или основного отопления в помещениях (домах, квартирах, офисах и т. п.), а также для локального обогрева уличного пространства (уличные кафе, беседки, веранды).

Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесенные на купюру как один из защитных элементов, специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные детекторы валют являются самыми безошибочными приборами для проверки денег на подлинность. Нанесение на купюру инфракрасных меток, в отличие от ультрафиолетовых, фальшивомонетчикам обходится дорого и соответственно экономически невыгодно. Потому детекторы банкнот со встроенным ИК излучателем, на сегодняшний день, являются самой надежной защитой от подделок.

Опасность для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может вызывать опасность для глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.

См. также

Другие способы теплопередачи

Способы регистрации (записи) ИК-спектров.

Примечания

Ссылки

Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.

Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения.

В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли.

Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.

ИК-диапазон - один из самых интересных для астрономов. В нем светит космическая пыль, важная для образования звезд и эволюции галактик. ИК-излучение лучше видимого проходит через облака космической пыли и позволяет видеть объекты, недоступные наблюдению в других участках спектра.

Источники

Фрагмент одного из так называемых Глубоких полей «Хаббла» . В 1995 году космический телескоп в течение 10 суток накапливал свет, приходящий с одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики, расстояние до которых составляет до 13 млрд световых лет (менее одного миллиарда лет от Большого взрыва). Видимый свет от таких далеких объектов испытывает значительное красное смещение и становится инфракрасным.

Наблюдения велись в области, далекой от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большая часть зарегистрированных объектов - это галактики на разных стадиях эволюции.

Гигантская спиральная галактика, обозначаемая также как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и видна нам почти с ребра. Она обладает огромным центральным балджем (шарообразное утолщение в центре галактики) и содержит около 800 млрд звезд - в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь.

В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда масс Солнца. Это определено по скоростям движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном диапазоне в галактике отчетливо просматривается кольцо газа и пыли, в котором активно рождаются звезды.

Приемники

Главное зеркало диаметром 85 см изготовлено из бериллия и охлаждается до температуры 5,5 К для снижения собственного инфракрасного излучения зеркала.

Телескоп был запущен в августе 2003 года по программе четырех великих обсерваторий NASA , включающей:

• гамма-обсерваторию «Комптон» (1991–2000, 20 кэВ -30 ГэВ ), см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ ,
• рентгеновскую обсерваторию «Чандра» (1999, 100 эВ -10 кэВ ),
• космический телескоп «Хаббл» (1990, 100–2100 нм ),
• инфракрасный телескоп «Спитцер» (2003, 3–180 мкм ).

Ожидается, что срок службы телескопа «Спитцер» составит около 5 лет. Свое название телескоп получил в честь астрофизика Лаймана Спитцера (1914–97), который в 1946 году, задолго до запуска первого спутника, опубликовал статью «Преимущества для астрономии внеземной обсерватории», а спустя 30 лет убедил NASA и американский Конгресс начать разработку космического телескопа «Хаббл».

Обзоры неба

Небо в ближнем инфракрасном диапазоне 1–4 мкм и в среднем инфракрасном диапазоне 25 мкм (COBE/DIRBE)

В ближнем инфракрасном диапазоне Галактика просматривается еще более отчетливо, чем в видимом.

А вот в среднем ИК-диапазоне Галактика едва видна. Наблюдениям сильно мешает пыль, находящаяся в Солнечной системе. Она расположена вдоль плоскости эклиптики, которая наклонена к плоскости Галактики под углом около 50 градусов.

Оба обзора получены инструментом DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) на борту спутника COBE (Cosmic Background Explorer). В ходе этого эксперимента, начатого в 1989 году, были получены полные карты инфракрасной яркости неба в диапазоне от 1,25 до 240 мкм .

Земное применение

В основе прибора лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), позволяющий значительно (от 100 до 50 тысяч раз) усиливать слабый видимый или инфракрасный свет.

Объектив создает изображение на фотокатоде, из которого, как и в случае ФЭУ , выбиваются электроны. Далее они разгоняются высоким напряжением (10–20 кВ ), фокусируются электронной оптикой (электромагнитным полем специально подобранной конфигурации) и падают на флуоресцентный экран, подобный телевизионному. На нем изображение рассматривают в окуляры.

Разгон фотоэлектронов дает возможность в условиях низкой освещенности использовать для получения изображения буквально каждый квант света, однако в полной темноте требуется подсветка. Чтобы не выдать присутствие наблюдателя, для этого пользуются прожектором ближнего ИК-диапазона (760–3000 нм ).

Существуют также приборы, которые улавливают собственное тепловое излучение предметов в среднем ИК-диапазоне (8–14 мкм ). Такие приборы называются тепловизорами, они позволяют заметить человека, животное или нагретый двигатель за счет их теплового контраста с окружающим фоном.

Вся энергия, потребляемая электрическим обогревателем, в конечном счете, переходит в тепло. Значительная часть тепла уносится воздухом, который соприкасается с горячей поверхностью, расширяется и поднимается вверх, так что обогревается в основном потолок.

Во избежание этого обогреватели снабжают вентиляторами, которые направляют теплый воздух, например, на ноги человека и способствуют перемешиванию воздуха в помещении. Но есть и другой способ передачи тепла окружающим предметам: инфракрасное излучение обогревателя. Оно тем сильнее, чем горячее поверхность и больше ее площадь.

Для увеличения площади радиаторы делают плоскими. Однако при этом температура поверхности не может быть высокой. В других моделях обогревателей используется спираль, разогреваемая до нескольких сотен градусов (красное каление), и вогнутый металлический рефлектор, который создает направленный поток инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение - это электромагнитное излучение, находящееся на границе с красным спектром видимого света. Человеческий глаз не способен видеть этот спектр, однако мы его ощущаем кожей, как тепло. При воздействии инфракрасных лучей предметы нагреваются. Чем короче длина волны инфракрасного излучения, тем сильнее будет тепловой эффект.

Согласно международной организации стандартизации (ISO), инфракрасное излучение делится на три диапазона: ближний, средний и дальний. В медицине, в импульсной инфракрасной светодиодной терапии (LEDT) применяется только ближний инфракрасный диапазон, поскольку он не рассеивается на поверхности кожи и проникает на подкожные структуры.

Спектр ближнего инфракрасного излучения ограничен от 740 до 1400 нм, но с увеличением длины волны, снижается способность лучей проникать в ткани, за счет поглощения фотонов водой. В аппаратах “РИКТА” используются инфракрасные диоды с длиной волны в диапазоне 860-960 нм и средней мощностью 60 мВт (+/- 30).

Излучение инфракрасных лучей не такое глубокое, как лазерное, однако у него более широкий спектр воздействия. Было доказано, что фототерапия ускоряет заживление ран, уменьшает воспаление и снимает болевой синдром, воздействуя на подкожные ткани и способствуя пролиферации и адгезии клеток в тканях .

LEDT интенсивно способствует прогреванию ткани поверхностных структур, улучшает микроциркуляцию, стимулирует регенерацию клеток, способствует уменьшению воспалительного процесса и восстановлению эпителия .

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛЕЧЕНИИ ЧЕЛОВЕКА

LEDT используется, как дополнение к низкоинтенсивной лазерной терапии аппаратов “РИКТА” и обладает лечебным и профилактическим эффектами.

Воздействие аппарата инфракрасного излучения способствует ускорению метаболических процессов в клетках, активирует регенеративные механизмы и улучшает кровоснабжение . Действие инфракрасного излучения комплексное и оказывает следующие эффекты на организм:

увеличение диаметра сосудов и улучшение кровообращения;

активация клеточного иммунитета;

снятие отечности тканей и воспаления;

купирование болевых синдромов;

улучшение метаболизма;

снятие эмоционального напряжения;

восстановление водно-солевого баланса;

нормализация гормонального фона.

Воздействуя на кожу, инфракрасные лучи раздражают рецепторы, передавая сигнал в мозг. Центральная нервная система рефлекторно отвечает, стимулируя общий метаболизм и повышая общий иммунитет.

Гормональный ответ способствует расширению просвета сосудов микроциркуляторного роста, улучшая кровоток. Это приводит к нормализации артериального давления, лучшему транспорту кислорода в органы и ткани .

БЕЗОПАСНОСТЬ

Несмотря на пользу, оказываемую импульсной инфракрасной светодиодной терапией, воздействие инфракрасным излучением должно быть дозированным. Бесконтрольное облучение может привести к ожогам, покраснениям кожи, перегреву тканей.

Количество и длительность процедур, частоту и область инфракрасного излучения, а также другие особенности лечения должен назначать специалист.

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

LEDT-терапия показала высокую эффективность при лечении разных заболеваний: пневмонии, гриппа, ангины, бронхиальной астмы, васкулита, пролежней, варикозного расширения вен, заболеваний сердца, обморожений и ожогов, некоторых форм дерматитов, заболеваний периферической нервной системы и злокачественных новообразований кожи .

Инфракрасное излучение, наряду с электромагнитным и лазерным, оказывает общеукрепляющее действие и помогает при лечении и профилактики многих заболеваний. Аппарат “Рикта” сочетает в себе излучение многокомпонентного типа и позволяет добиться максимального эффекта в короткий срок. Прибор инфракрасного излучения купить можно в .