Спектр инфракрасного излучения. Полезные и вредные свойства инфракрасного излучения на человека

> 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.

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

Инфракрасное (ИК) излучение – вид электромагнитного излучения, занимающее спектральный диапазон между видимым красным светом (ИНФРАкрасный: НИЖЕ красного) и коротковолновым радиоизлучением. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны.

Все нагретые тела источают инфракрасное изучение, в том числе и человеческое тело и Солнце, которое именно этим способом и греет нашу с вами планету, давая жизнь всему живому на ней. Тепло, которое мы ощущаем от огня у костра или камина, обогревателя или теплого асфальта – все это следствие инфракрасных лучей.

Весь спектр инфракрасного излучения принято делить на три основных диапазона, отличающихся длинной волны:

• Коротковолновый, с длинной волны λ = 0,74-2,5 мкм;
• Средневолновый, с длинной волны λ = 2,5-50 мкм;
• Длинноволновый, с длинной волны λ = 50-2000 мкм.

Ближние или иначе коротковолновые ИК лучи совсем не горячие, фактически мы их даже не чувствуем. Эти волны используются, например, в пультах дистанционного управления телевизоров, системах автоматики, охранных системах и т.д. Их частота больше, и соответственно их энергия выше, чем у дальних (длинных) инфракрасных лучей. Но не на таком уровне, чтобы повредить организму. Тепло же начинает создаваться на средних инфракрасных длинах волн, и их энергию мы уже чувствуем. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, т. к. 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. Например источник с длиной волны 1,1 мкм соответствует расплавленному металлу, а источник с длиной волны 3,4 мкм – металлу к концу прокатки, ковки.

Для нас с вами интерес представляет спектр с длинной волны 5-20 мкм, так как именно в этом диапазоне приходится более 90% производимого инфракрасными системами отопления излучения с пиком излучения в 10 мкм. Очень важно, что именно на данной частоте само человеческое тело излучает инфракрасные волны 9,4 мкм. Таким образом, любое излучение на данной частоте воспринимается человеческим организмом как родственное и оказывает на него благотворное и, даже более того, оздоровительное влияние.

При таком воздействии на организм инфракрасным излучением возникает эффект «резонансного поглощения», которое характеризуется активным поглощением организмом внешней энергии. В результате чего можно наблюдать у человека повышение уровня гемоглобина, усиление активности ферментов и эстрогенов, в общем итоге – стимуляция жизненной активности человека.

Воздействие инфракрасного излучения на поверхность тела человека, как мы уже говорили, полезно и, вдобавок ко всему, приятно. Вспомните первые солнечные дни в начале весны, когда после долгой и пасмурной зимы наконец-то выглянуло солнышко! Вы чувствуете, как оно приятно обволакивает освещаемый участок вашей кожи, лицо, ладони. Уже не хочется надевать перчатки и головной убор, не смотря на достаточно низкую по сравнению с «комфортной» температуру. Но стоит появиться маленькой тучке, как мы сразу испытываем ощутимый дискомфорт от прерывания столь приятного ощущения. Это и есть то самое излучение, которого нам так не хватало на протяжении всей зимы, когда Солнце долгое время отсутствовало, и мы волей-неволей несли свой "инфракрасный пост".

В результате воздействия инфракрасного излучения можно наблюдать:

• Ускорение обмена веществ в организме;
• Восстановление кожной ткани;
• Замедление процесса старения;
• Вывод из организма излишних жиров;
• Высвобождение двигательной энергии человека;
• Повышение антимикробной устойчивости организма;
• Активация роста растений

и многое многое другое. Более того инфракрасное облучение применяется в физиотерапии для лечения многих заболеваний в том числе онкологических, так как способствует расширению капилляров, стимулирует кровоток в сосудах, повышает иммунитет и производит общий лечебный эффект.

И это совсем не удивительно, потому что данное излучение дано нам от природы как способ передачи тепла, жизни всему живому, нуждающемуся в этом тепле и комфорте, минуя пустое пространство и воздух как посредников.

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ИК-излучение, ИК-лучи), электромагнитное излучение с длинами волн λ от около 0,74 мкм до около 1-2 мм, то есть излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого излучения и коротковолновым (субмиллиметровым) радиоизлучением. Инфракрасное излучение относится к оптическому излучению, однако в отличие от видимого излучения оно не воспринимается человеческим глазом. Взаимодействуя с поверхностью тел, оно нагревает их, поэтому часто его называют тепловым излучением. Условно область инфракрасного излучения разделяют на ближнюю (λ = 0,74-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). Инфракрасное излучение открыто У. Гершелем (1800) и независимо У. Волластоном (1802).

Спектры инфракрасного излучения могут быть линейчатыми (атомные спектры), непрерывными (спектры конденсированных сред) или полосатыми (молекулярные спектры). Оптические свойства (коэффициенты пропускания, отражения, преломления и т.п.) веществ в инфракрасном излучении, как правило, значительно отличаются от соответствующих свойств в видимом или ультрафиолетовом излучении. Многие вещества, прозрачные для видимого света, непрозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, и наоборот. Так, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ > 1 мкм, поэтому вода часто используется в качестве теплозащитного фильтра. Пластинки из Ge и Si, непрозрачные для видимого излучения, прозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, чёрная бумага прозрачна в далёкой ИК-области (такие вещества используют в качестве светофильтров при выделении инфракрасного излучения).

Отражательная способность большинства металлов в инфракрасном излучении значительно выше, чем в видимом излучении, и возрастает с увеличением длины волны (смотри Металлооптика). Так, отражение поверхностей Al, Au, Ag, Cu инфракрасного излучения с λ = 10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают селективным (зависящим от длины волны) отражением инфракрасного излучения, положение максимумов которого зависит от их химического состава.

Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется вследствие рассеяния и поглощения атомами и молекулами воздуха. Азот и кислород не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Молекулы Н 2 О, О 2 , О 3 и др., присутствующие в атмосфере, селективно (избирательно) поглощают инфракрасное излучение, причём особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды. Полосы поглощения Н 2 О наблюдаются во всей ИК-области спектра, а полосы СО 2 - в её средней части. В приземных слоях атмосферы имеется лишь небольшое число «окон прозрачности» для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате его рассеяния на этих частицах. При малых размерах частиц инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение, что используют в ИК-фотографии.

Источники инфракрасного излучения. Мощный естественный источник инфракрасного излучения - Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-области. На инфракрасное излучение приходится от 70 до 80% энергии излучения ламп накаливания; его испускают электрическая дуга и различные газоразрядные лампы, все типы электрических обогревателей помещений. В научных исследованиях источниками инфракрасного излучения служат ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых типов лазеров также лежит в ИК-области спектра (например, длина волны излучения лазеров на неодимовом стекле составляет 1,06 мкм, гелий-неоновых лазеров - 1,15 и 3,39 мкм, СО 2 -лазеров - 10,6 мкм).

Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии, доступные для измерения. В тепловых приёмниках поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощение инфракрасного излучения приводит к появлению или изменению силы электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники (в отличие от тепловых) селективны, то есть чувствительны лишь к излучению определённой области спектра. Фоторегистрация инфракрасного излучения осуществляется с помощью специальных фотоэмульсий, однако они чувствительны к нему только для длин волн до 1,2 мкм.

Применение инфракрасного излучения. ИК-излучение широко применяют в научных исследованиях и для решения различных практических задач. Спектры испускания и поглощения молекул и твёрдых тел лежат в ИК-области, их изучают в инфракрасной спектроскопии, в структурных задачах, а также используют в качественном и количественном спектральном анализе. В далёкой ИК-области лежит излучение, возникающее при переходах между зеемановскими подуровнями атомов, ИК-спектры атомов позволяют изучать структуру их электронных оболочек. Фотографии одного и того же объекта, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, вследствие различия коэффициентов отражения, пропускания и рассеяния могут значительно различаться; на ИК-фотографии можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии.

В промышленности инфракрасное излучение используют для сушки и нагрева материалов и изделий, в быту - для обогрева помещений. На основе фотокатодов, чувствительных к инфракрасному излучению, созданы электронно-оптические преобразователи, в которых не видимое глазом ИК-изображение объекта преобразуется в видимое. На основе таких преобразователей построены различные ночного видения приборы (бинокли, прицелы и т.п.), позволяющие в полной темноте обнаруживать объекты, вести наблюдение и прицеливание, облучая их инфракрасным излучением от специальных источников. При помощи высокочувствительных приёмников инфракрасного излучения осуществляют теплопеленгацию объектов по их собственному инфракрасному излучению и создают системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК-локаторы и ИК-дальномеры позволяют обнаруживать в темноте предметы, температура которых выше температуры окружающей среды, и измерять расстояния до них. Мощное излучение ИК-лазеров используют в научных исследованиях, а также для осуществления наземной и космической связи, для лазерного зондирования атмосферы и т. д. Инфракрасное излучения используется для воспроизведения эталона метра.

Лит.: Шрайбер Г. Инфракрасные лучи в электронике. М., 2003; Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М., 2004.

Инфракрасное излучение – один из типов электромагнитного излучения, что граничит с красной частью спектра видимого света с одной стороны и микроволнами – с другой. Длина волны – от 0.74 до 1000-2000 микрометров. Инфракрасные волны называют еще «тепловыми». Исходя из длины волны, их классифицируют на три группы:

коротковолновые (0.74-2.5 микрометров);

средневолновые (длиннее 2.5, короче 50 микрометров);

длинноволновые (больше 50 микрометров).

Источники инфракрасного излучения

На нашей планете инфракрасное излучение отнюдь не редкость. Практически любое тепло – эффект воздействия инфракрасных лучей. Неважно что это: солнечный свет, тепло наших тел или нагрев, исходящий от отопительных приборов.

Инфракрасная часть электромагнитного излучения греет не пространство, а непосредственно сам объект. Именно на этом принципе построена работа инфракрасных ламп. Да и Солнце обогревает Землю аналогичным образом.

Влияние на живые организмы

На данный момент, науке неизвестны подтвержденные факты негативного влияния инфракрасных лучей на организм человека. Разве что из-за чересчур интенсивного излучения может повредиться слизистая оболочка глаз.

А вот о пользе можно говорить очень долго. Еще в 1996 году, ученые из США, Японии и Голландии подтвердили ряд позитивных медицинских фактов. Тепловое излучение:

уничтожает некоторые из видов вируса гепатита;

подавляет и замедляет рост раковых клеток;

обладает способностью нейтрализации вредных электромагнитных полей и излучения. В том числе и радиоактивного;

помогает вырабатывать инсулин диабетиками;

может помочь при дистрофии;

улучшение состояния организма при псориазе.

Под улучшается самочувствие, внутренние органы начинают работать эффективнее. Увеличивается питание мускулов, изрядно повышается сила иммунной системы. Известный факт, что при отсутствии инфракрасного излучения, организм ощутимо быстрее стареет.

Инфракрасные лучи еще называют «лучами жизни». Именно под их воздействием зародилась жизнь.

Использование инфракрасных лучей в быту человека

Инфракрасный свет используют не менее широко, чем он распространен. Пожалуй, будет очень сложно найти хоть одну область народного хозяйства, где не нашла себе применения инфракрасная часть электромагнитных волн. Перечислим самые известные сферы применения:

военное дело. Самонаведение боеголовок ракет или приборы ночного видения – это все результат использования инфракрасного излучения;

термография широко используется в науке для определения перегретых или переохлажденных частей исследуемого объекта. Инфракрасные снимки также широко используются в астрономии, наряду с другими типами электромагнитных волн;

бытовые обогреватели. В отличие от конвекторов, такие устройства с помощью лучистой энергии нагревают все объекты помещения. А уже дальше, предметы интерьера отдают тепло окружающему воздуху;

передача данных и дистанционное управление. Да, все пульты от телевизоров, магнитофонов и кондиционеров используют инфракрасные лучи;

дезинфекция в пищевой промышленности

медицина. Лечение и профилактика многих разнотипных заболеваний.

Инфракрасные лучи – относительно небольшая часть электромагнитного излучения. Являясь естественным способом передачи тепла, без него не обходится ни один жизненный процесс на нашей планете.