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.
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.
Характеристика ионизирующих излучений. Их воздействие на человека
Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию зарядов разных знаков. Свойствами ионизации среды обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи. Радиоактивные излучения образуются в результате самопроизвольного распада атомных ядер элементов.
К ионизирующим излучениям относятся:
1)гамма-излучение – электромагнитное фотонное излучение, испускаемое при ядерных превращениях;
2)характеристическое – фотонное излучение, испускаемое при изменении энергетического состояния атома;
3)тормозное – фотонное излучение, испускаемое при изменении кинетической энергии заряжённых частиц;
4)рентгеновское – совокупность тормозного и характеристического излучений,
5)корпускулярное – излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля, альфа- и бета частиц, протонов, нейтронов и др.
Основными нормативными документами, регламентирующими безопасность работы с источниками ионизирующих излучений, являются «Нормы радиационной безопасности (НРБ-2000)» и «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСП-2002)».
В соответствии с НРБ-2000 установлены три категории облучения: Категория А – профессиональное облучение лиц, работающих непосредственно с источниками ионизирующих излучений. Категория Б – облучение лиц, работающих в смежных помещениях, но не занятых непосредственно работой, связанной с радиационной опасностью. Категория В – облучение населения всех возрастных категорий.
К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-излучения и др.
Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия. Проникающая способность альфа-частиц, т.е. способность проходить через слой какого-либо вещества определенной толщины, небольшая. Поэтому внешнее воздействие альфа-частиц на живой организм не является опасным. Однако альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, и их попадание внутрь организма через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт или раны вызывает серьезные заболевания.
Бета-излучение состоит из потока электронов. Они имеют значительно большую проникающую, но меньшую ионизирующую способность по сравнению с альфа-частицами. Именно высокая проникающая способность электронов является опасным фактором при облучении этими частицами.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. Они не только глубоко проникают в организм, но и оказывают сильное ионизирующее воздействие. Вследствие этого гамма-излучение чрезвычайно опасно для человека.
Ионизация тканей организма приводит к их разрушению в связи с расщеплением воды (ее содержание в живой ткани составляет 72%) и вступлением образовавшихся веществ в химическую реакцию с белковыми соединениями.
Облучение может вызвать выпадение волос, ломкость ногтей, нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта, появление катаракты, изменения в наследственных функциях, острую или хроническую лучевую болезнь.
В течение жизни человек подвергается воздействию радиоактивного излучения, исходящего от почвы и сооружений, но оно, как правило, не вызывает существенных изменений в организме.
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.
Лечебные методики
Терапия бывает двух видов, а именно – общая, местная. Что касается местного воздействия, то лечение осуществляется на определенной части тела больного. Во время общей терапии, применение световой терапии рассчитано на весь организм.
Процедура осуществляется дважды в день, продолжительность сеанса колеблется в пределах 15-30 минут. Общий лечебный курс содержит не менее пяти – двадцати процедур. Следите за тем, чтобы была готова защита от инфракрасного излучения, предназначенная для области лица. Для глаз предназначены специальные очки, вата или же картонные накладки. После проведения сеанса, кожа покрывается эритемой, а именно – покраснениями, имеющими размытые границы. Эритема исчезает через час после процедуры.
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.
Виды теплопередачи
Существует три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность — прямая передача тепла между двумя физическими телами. Символ «k» — это измерение того, насколько хорошо различные вещества передают тепло. Количество тепла, которое может быть передано через поверхность, зависит от разницы температур, от площади поверхности, теплопроводности материала и толщины материала.
Конвекция — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается за счёт движения вещества (жидкостей или газов). Когда вещество нагревается, оно расширяется и повышается его плотность. Поток тепла образуется тогда, когда теплые вещества поднимаются и холодные вещества опускаются. Тепловая энергия (тепло) передаётся за счёт частиц в потоках, перемещающихся из одного места в другое. Конвекция может быть естественной, когда используются близлежащие вещества (жидкости или газы), или вынужденной, когда используются насос или вентилятор.
Конвекция также зависит от площади поверхности. Если площадь поверхности, контактирующей с веществом, увеличивается, то диапазон теплопередачи также увеличивается. Вот почему чаще всего можно увидеть именно ребрённые конвекционные устройства, для более эффективной работы.
Излучение — это бесконтактная теплопередача, не требующая никакой среды. Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Теплопередача происходит тогда, когда сообщаемая энергия сталкивается с телом и им же поглощается.
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.
Приемники
Инфракрасный космический телескоп «Спитцер»
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».
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.
Первая помощь при тепловом ударе
При интенсивном или длительном воздействии на человека коротких волн может произойти тепловой удар. Обычно это случается, если температура головного мозга резко повышается хотя бы на 1 градус. В таком случае пострадавшему сразу же следует оказать первую помощью. Для этого его нужно аккуратно переложить или перевезти в прохладное место и постараться снять с него тесную одежду. К сердцу, голове, подмышечным впадинам и паховой области следует приложить что-нибудь холодное.
После этого пострадавшего нужно обернуть мокрой простынёй и направить на него воздух от вентилятора.
Такие действия помогут снизить температуру тела. В тяжёлых случаях следует сделать искусственное дыхание и обязательно вызвать скорую помощь. На протяжении этого времени пострадавшему нужно давать прохладное и обильное питьё.
