Инфракрасное излучение и его применение. Проверка денег на подлинность. Инфракрасное излучение, инфракрасные лучи, свойства инфракрасных лучей, спектр излучения инфракрасных обогревателей калининград

Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, однако, его испускают все жидкие и твердые вещества. Оно обеспечивает протекание многих процессов на Земле. Применяется в различных областях нашей деятельности.

Все свойства инфракрасного излучения на организм исследованы фототерапевтами. Влияние зависит от длины волны и продолжительности воздействия. Они незаменимы для нормальной жизни.

ИК диапазон находится в промежутке от конца красного видимого спектра до фиолетового (ультрафиолет). Этот интервал разбит на области: длинную, среднюю и короткую. В ближнем свете лучи более опасны. А вот длинноволновые благотворно влияют на организм.

Польза от инфракрасного излучения:

использование в медицине для лечения различных заболеваний;
научные исследования – помощь в открытиях;
благотворно влияет на рост растений;
применение в пищевой промышленности для ускорения биохимических превращений;
стерилизация продуктов питания;
обеспечивает работу техники – радио, телефонов, и других;
изготовление различных аппаратов и приборов, в основе действия которых лежит ИК;
использование в военных целях для безопасности населения.

Отрицательные аспекты коротковолнового ИК обусловлены температурой нагрева. Чем она выше, тем сильней интенсивность излучения.

Вредные свойства короткого ИК:

при воздействии на глаза – катаракта;
при попадании на кожу – ожоги, волдыри;
при влиянии на мозг – тошнота, головокружение, учащение пульса;
при использовании нагревателей с ИК нельзя находиться в непосредственной близости.

Источники излучения

Солнце – главный естественный генератор ИК. Примерно 50 % его излучения в инфракрасном спектре. Благодаря им зародилась жизнь. Солнечная энергия направляется к предметам с более низкой температурой и нагревает их.

Земля поглощает её, и бо́льшую часть возвращает в атмосферу. У всех объектов разные излучающие свойства, которые могут иметь зависимость от нескольких тел.

К искусственным производным относится множество предметов, оснащенных светодиодами. Это лампа накаливания, вольфрамовая нить, обогреватели, некоторые лазеры. Практически все что нас окружает является одновременно источником и поглотителем ИК. Любое нагретое тело излучает невидимый свет.

Применение

Инфракрасные лучи используют в медицине, быту, промышленности, астрономии. Они охватывают много сфер в человеческой жизни. Куда бы он ни пошел, где бы не находился, всюду испытывает ИК воздействие.

Использование в медицине

С давних времен люди заметили целебную силу тепла для лечения болезней. Многие расстройства берутся из-за неблагоприятных окружающих условий. На протяжении жизни организм накапливает вредные вещества.

Инфракрасное излучение давно применяется в медицине. Наиболее полезными качествами обладают длинноволновое ИК. Исследования доказали, что такая терапия стимулирует организм выводить токсины, алкоголь, никотин, свинец, ртуть.

Нормализует процесс обмена веществ, укрепляется иммунитет, многие инфекции проходят, причем исчезают не только симптомы, но и сама болезнь. Здоровье явно становится крепче: снижается давление, появляется хороший сон, мышцы расслабляются, сосуды расширяются, ускоряется кровоток, настроение улучшается, психическое напряжение уходит.

Методы лечения могут быть сосредоточены непосредственно на больном участке или оказать влияние на весь организм.

Особенностью местной физиотерапии является направленное действие ИК на больные части тела. Общие процедуры рассчитаны на весь организм. Улучшение наступает уже после нескольких сеансов.

Пример основных заболеваний, при которых показана ИК терапия:

опорно-двигательный аппарат – переломы, артрит, воспаление суставов;
дыхательная система – астма, бронхит, пневмония;
нервная система – невралгия, беспокойный сон, депрессия;
мочевыделительный аппарат – почечная недостаточность, цистит, простатит;
кожный покров – ожоги, язвы, рубцы, воспалительные процессы, псориаз;
косметология – антицеллюлитный эффект;
стоматология – удаление нервов, установка пломбы;
сахарный диабет;
устранение радиоактивного облучения.

Это список не отражает все аспекты в медицине, где применяются инфракрасные лучи.

Физиопроцедуры имеют противопоказания: беременность, заболевания крови, индивидуальная непереносимость, патологии во время обострения, туберкулез, новообразования, гнойные процессы, склонность к кровотечениям.

Инфракрасный обогреватель

Все популярнее становятся ИК обогреватели. Это объясняется существенными преимуществами с экономического и социально-бытового подхода.

В промышленности и сельском хозяйстве давно установили, что электромагнитные устройства не рассеивают тепло, а нагревают нужный объект фокусируя инфракрасные излучения в виде волны непосредственно на предмет. Так, в большом цехе отапливается рабочее место, а на складе пути следования человека, а не все помещение.

Центральное теплоснабжение осуществляется при помощи горячей воды в батареях. Распределение температуры происходит неравномерно, нагретый воздух поднимается к потолку, а в районе паркета он явно холоднее. В случае с инфракрасным обогревателем проблемы нерационально используемого тепла возможно избежать.

Установки в комплексе с естественной вентиляцией снижают влажность воздуха до нормального, например, на свинофермах и коровниках датчики фиксируют 70-75% и меньше. При использовании такого излучателя увеличивается поголовье животных.

Инфракрасная спектроскопия

Раздел в физике отвечающий за влияние ИК на тела называется инфракрасной спектроскопией. При помощи него решаются задачи количественного и качественного анализа смесей веществ, исследование межмолекулярных взаимодействий, изучение кинетики и характеристик интермедиатов химических реакций.

Этом метод измеряет колебания молекул при помощи спектрометра. Имеет большую табличную базу данных, которая позволяет идентифицировать тысячи веществ основываясь на их атомном отпечатке.

Дистанционное управление

Используется для контролирования за устройствами на расстоянии. Инфракрасные диоды применяют в основном в домашней технике. Например, пульт от телевизора, некоторые смартфоны имеют ИК порт.

Эти лучи не мешают, т.к. невидимы для человеческих глаз.

Термография

Тепловое изображение в инфракрасных лучах, используется в диагностических целях, также в полиграфии, в ветеринарии и других сферах.

При различных заболеваниях температура тела меняется. Кровеносная система усиливает интенсивность в области нарушений, что и отражается на мониторе приборов.

Холодные оттенки – темно-синие, повышение тепла заметно по изменению цвета сначала на зеленый, затем желтый, красный и белый.

Свойства ИК лучей

ИК лучи имеют такую же природу, как и видимый свет, но находятся в другом диапазоне. В связи с этим они подчиняются законам оптики и наделены коэффициентами излучения, отражения, пропускной способности.

Отличительные характеристики:

специфической чертой является отсутствие необходимости промежуточного звена при передаче тепла;
возможность проходить через некоторые непрозрачные тела;
нагревает вещество, поглощаясь им;
невидим;
оказывает химическое действие на фотопластинки;
вызывает внутренний фотоэффект у германия;
способен к волновойоптике (интерференции и дифракции);
фиксируется фотографическим методам.

Инфракрасное излучение в жизни

Человек излучает и поглощает ИК лучи. Они оказывают местное и общее воздействие. А какие будут последствия – польза или вред, зависит от их частоты.

От людей отходят длинные инфракрасные волны, и желательно получить их же обратно. Физиотерапевтическое лечение базируется на них. Ведь они запускают механизм регенерации и оздоровления органов.

Короткие волны имеют другой принцип действия. Они могут вызывать нагрев внутренних органов.

Также длительное влияние ультрафиолетовых лучей приводит к таким последствиям, как ожог или даже онкология. Медицинские специалисты не рекомендуют пребывать на солнце в дневное время, особенно если с вами ребенок.

> 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.

Инфракрасное излучение активно используется в медицине, причем его полезные свойства были замечены задолго до появления современных исследований. Еще в античности жар углей, нагретой соли, металла и других материалов использовали для лечения ран, ушибов, обморожений, туберкулеза и многих других болезней.

Исследования XX-XXI веков доказали, что инфракрасное излучение имеет определенное воздействие на внешние покровы и внутренние органы, что позволяет использовать его в лечебных и профилактических целях.

Воздействие инфракрасного излучения на организм

Инфракрасные лучи не только греют, но об этом знают лишь немногие. С момента открытия ИК излучения Гершелем в 1800 году, ученые и медики выявили следующие типы воздействий его на организм человека:

активизация обмена веществ;
расширение сосудов, в том числе капилляров;
активизация капиллярного кровообращения;
антиспазматическое воздействие;
болеутоляющее воздействие;
противовоспалительное воздействие;
активизация реакций внутри клетки.

При дозированном использовании воздействие инфракрасных лучей оказывает общеоздоровительный эффект. Уже сегодня разработано немало аппаратов, которые используют в физиотерапевтических кабинетах.

Естественно, воздействие должно осуществляться дозированно, чтобы избежать перегрева, возникновения ожогов и других негативных реакций.

Способы применения инфракрасных лучей

Так как ИК лучи расширяют сосуды и ускоряют кровоток, их используют для улучшения и стимуляции кровообращения. Когда длинноволновые ИК лучи направлены на кожу, ее рецепторы раздражаются, от чего возникает реакция гипоталамуса, посылающая сигнал «расслабиться» гладким мышцам кровеносных сосудов. В результате капилляры, вены и артерии расширяются, ускоряется кровоток.

Не только стенки сосудов реагируют на инфракрасное излучение, на клеточном уровне отмечается ускорение метаболизма, а также улучшение протекания нейрорегуляционных процессов.

Неоценимую роль играет воздействие инфракрасных лучей для улучшения иммунитета. Благодаря усиленной выработке макрофагоцитов ускоряется фагоцитоз, на жидкостном и клеточном уровне у человека усиливается иммунитет. Параллельно идет стимуляция синтеза аминокислот, а также усиленная выработка ферментов и питательных веществ.

Также отмечен обеззараживающий эффект, от ИК лучей в организме человека погибает целый ряд бактерий, нейтрализуется воздействие некоторых вредных веществ.

Медицинские проблемы, которые решают с помощью ИК излучения

Инфракрасная терапия используется как часть лечения, так как она позволяет решить оказывает такое воздействие:

уменьшается сила болей;
проходит болевой синдром;
восстанавливается водно-солевой баланс;
улучшается память;
имеет место лимфодренажный эффект;
нормализуется кровообращение (в том числе и мозговое) и кровоснабжение тканей;
нормализуется давление;
быстрее выводятся токсины и соли тяжелых металлов;
усиливается выработка эндорфина и мелатонина;
нормализуется выработка гормонов;
уничтожаются патогенные организмы, грибки;
подавляется рост раковых клеток;
имеет место противоядерное воздействие;
проявляется дезодорирующий эффект;
восстанавливается иммунная система;
снимается гипертонус, повышенное напряжение мышц;
уходит эмоциональное напряжение;
меньше накапливается усталость;
нормализуется сон;
приходят в норму функции внутренних органов.

Болезни, которые лечат с помощью инфракрасного излучения

Естественно, столь масштабное позитивное воздействие активно используется для лечения целого спектра болезней:

бронхиальная астма;
грипп;
пневмония;
онкологические заболевания;
образование спаек;
аденома;
язвенная болезнь;
эпидемический паротит;
гангрена;
ожирение;
варикозное расширение вен;
отложение солей;
шпоры, натоптыши, мозоли;
кожные заболевания;
сосудистые заболевания;
плохо заживающие раны;
ожоги, обморожения;
заболевания периферической нервной системы;
паралич;
пролежни.

За счет того, что активизируется обмен веществ и нормализуется кровоток, в том числе и в капиллярах, органы и ткани значительно быстрее восстанавливаются и возвращаются к нормальному режиму работы.

При регулярном воздействии инфракрасных лучей на организм имеет место обратное развитие воспалительных процессов, повышается тканевая регенерация, противоинфекционная защита и местная сопротивляемость.

Когда излучающие приборы применяются вместе с лекарственными препаратами и физиотерапевтическими процедурами, удается добиться положительно динамики в 1,5-2 раза быстрее. Выздоровление идет более быстрыми темпами и снижается вероятность рецидива.

Отдельной темой является использование терапии инфракрасными лучами у больных ожирением. Здесь основной эффект достигается за счет нормализации обмена веществ, в том числе клеточного метаболизма. Также нагревание поверхности тела способствует более быстрому избавлению от накопленной жировой массы. ИК излучение используют совместно с диетой и медикаментозным лечением.

Инфракрасное излучение в спортивной медицине

Исследования в области эффективных средств восстановления после травм показали, что ИК лучи ускоряют заживление травм. Практические результаты достаточно внушительны, у спортсменов отмечены такие положительные изменения.

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.

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.