Infrardeči žarki: lastnosti, aplikacije, učinki na človeka. Viri infrardečega sevanja

Infrardeči žarki so elektromagnetna valovanja v nevidnem območju elektromagnetnega spektra, ki se začne za vidno rdečo svetlobo in se konča pred mikrovalovnim sevanjem med frekvencama 10 ¹² in 5 10 ¹⁴ Hz (ali je v območju valovnih dolžin 1–750 nm). Ime izvira iz latinske besede infra in pomeni "pod rdečo".

Uporaba infrardečih žarkov je raznolika. Uporabljajo se za vizualizacijo predmetov v temi ali dimu, toplotne savne in ogrevanje letalskih kril za zaščito pred zaledenitvijo, v bližnjem polju in pri izvajanju spektroskopske analize organskih spojin.

Odkritje

Infrardeče žarke je leta 1800 odkril britanski glasbenik in ljubiteljski astronom nemškega izvora William Herschel. S prizmo je razdelil sončno svetlobo na svoje sestavne dele in s termometrom zabeležil povišanje temperature za rdečim delom spektra.

Infrardeče sevanje in toplota

Infrardeče sevanje se pogosto imenuje toplotno. Vendar je treba opozoriti, da je to le njena posledica. Toplota je merilo translacijske energije (energije gibanja) atomov in molekul snovi. "Temperaturni" senzorji dejansko ne merijo toplote, temveč le razlike v infrardečem sevanju različnih predmetov.

Veliko učiteljev fizike infrardeče žarke tradicionalno pripisujejo celotni termični Sončno sevanje. Toda to ni povsem res. Pri vidni sončni svetlobi prihaja 50% vse toplote, elektromagnetna valovanja katere koli frekvence z zadostno intenzivnostjo pa lahko povzročijo toploto. Vendar pa je pošteno reči, da pri sobni temperaturi predmeti oddajajo toploto večinoma v srednjem infrardečem pasu.

IR sevanje absorbira in oddaja rotacije in vibracije kemično vezanih atomov ali njihovih skupin in posledično mnogih vrst materialov. Na primer, transparentno za vidno svetlobo okenskega stekla IR sevanje absorbira. Infrardeče žarke v veliki meri absorbira voda in atmosfera. Čeprav so nevidne očem, jih lahko koža čuti.

Zemlja kot vir infrardečega sevanja

Površina našega planeta in oblaki absorbirajo sončno energijo, ki se večinoma v obliki IR sevanja sprosti v ozračje. Nekatere snovi v njem, predvsem kapljice pare in vode, ter metan, ogljikov dioksid, dušikov oksid, klorofluoroogljikovodi in žveplov heksafluorid, absorbirajo v infrardečem območju spektra in se preslikujejo v vse smeri, vključno z Zemljo. Zato ker učinek tople grede Zemeljsko ozračje in površina sta veliko toplejša, kot če bi bile odsotne snovi, ki absorbirajo infrardeče žarke v zraku.

To sevanje igra pomembno vlogo pri prenosu toplote in je sestavni del tako imenovanega učinka tople grede. Vpliv infrardečih žarkov na svetovni ravni sega do ravnotežja sevanja Zemlje in vpliva na skoraj vso biosferno aktivnost. Praktično vsak predmet na površini našega planeta oddaja elektromagnetno sevanje predvsem v tem delu spektra.

Infrardeča območja

Infrardeče območje je pogosto razdeljeno na ožje segmente spektra. Nemški inštitut za standarde DIN je opredelil naslednje valovne dolžine infrardečih žarkov:

• blizu (0,75-1,4 mikronov), ki se običajno uporablja v komunikaciji z optičnimi vlakni;
• kratkovalovni (1,4-3 μm), pri čemer se bistveno poveča absorpcija IR sevanja z vodo;
• srednji val, imenovan tudi vmesni (3-8 mikronov);
• longwave (8-15 mikronov);
• daleč (15-1000 mikronov).

Vendar pa se ta sistem razvrščanja ne uporablja povsod. V nekaterih študijah so na primer navedeni naslednji razponi: blizu (0,75-5 mikronov), srednja (5-30 mikronov) in dolga (30-1000 mikronov). Valovne dolžine, ki se uporabljajo v telekomunikacijah, so zaradi omejitev detektorjev, ojačevalnikov in virov razdeljene v ločene pasove.

Splošni zapis je upravičen s človeškimi reakcijami na infrardeče žarke. Bližina infrardečega območja je najbližje valovni dolžini, ki je vidna človeškemu očesu. Povprečno in daljno infrardeče sevanje se postopoma odstrani iz vidnega dela spektra. Druge definicije sledijo različnim fizikalnim mehanizmom (kot so emisijski vrhovi in ​​absorpcija vode), najnovejši pa temeljijo na občutljivosti uporabljenih detektorjev. Na primer, konvencionalni silicijevi senzorji so občutljivi okoli 1050 nm, indijski galijev arzenid pa sega od 950 nm do 1700 in 2200 nm.

Jasna meja med infrardečo in vidno svetlobo ni definirana. Človeško oko je precej manj občutljivo na rdečo svetlobo, ki presega valovno dolžino 700 nm, vendar pa lahko opazimo intenziven sij (laser) do približno 780 nm. Začetek IR območja je opredeljen v različnih standardih na različne načine - nekje med temi vrednostmi. To je običajno 750 nm. Zato so vidni infrardeči žarki možni v območju 750–780 nm.

Oznake v komunikacijskih sistemih

Optična komunikacija v bližnji infrardeči regiji je tehnično razdeljena na več frekvenčnih pasov. To je posledica drugačnega svetlobnih virov absorpcijski in prenosni materiali (vlakna) in detektorji. Te vključujejo:

• O-območje 1.260-1.360 nm.
• E-območje 1,360-1,460 nm.
• S-območje 1,460-1,530 nm.
• C-območje 1,530-1,565 nm.
• L-območje 1,565-1,625 nm.
• U-območje 1,625-1,675 nm.

Termografija

Termografija ali toplotno slikanje je vrsta infrardeče slike objektov. Ker vsa telesa oddajajo v infrardečem območju in se intenzivnost sevanja povečuje s temperaturo, se lahko za zaznavanje in zajemanje slik uporabijo specializirane kamere z IR senzorji. V primeru zelo vročih objektov v bližnji infrardeči ali vidni regiji se ta metoda imenuje pirometrija.

Termografija je neodvisna od osvetlitve vidne svetlobe. Zato je mogoče »videti« okolje tudi v temi. Predvsem topli predmeti, vključno z ljudmi in toplokrvnimi živalmi, izstopajo na bolj hladnem ozadju. Infrardeča fotografija pokrajine izboljša prikaz predmetov glede na njihov prenos toplote: modro nebo in voda sta skoraj črna, zeleno listje in koža pa sta jasno izraženi.

V zgodovini so termografijo uporabljale vojaške in varnostne službe. Poleg tega najde veliko drugih uporab. Na primer, gasilci ga uporabljajo za ogled skozi dim, iskanje ljudi in iskanje vročih točk med ognjem. Termografija lahko razkrije nenormalno rast tkiva in okvare v elektronskih sistemih in vezjih zaradi njihove večje proizvodnje toplote. Električarji, ki oskrbujejo električne napeljave, lahko zaznajo pregrevanje priključkov in delov, signalizirajo okvaro in odpravijo potencialno nevarnost. V primeru poškodb zaradi toplotne izolacije lahko strokovnjaki za gradbeništvo opazijo puščanje toplote in povečajo učinkovitost hladilnih ali ogrevalnih sistemov. V nekaterih vrhunskih avtomobilih so termični slikovni zasloni nameščeni za pomoč vozniku. S pomočjo termografskih slik je mogoče nadzorovati nekatere fiziološke reakcije pri ljudeh in toplokrvnih živalih.

Videz in način delovanja sodobne termografske kamere se ne razlikujejo od videza običajne video kamere. Zmožnost vpogleda v infrardečem spektru je tako uporabna funkcija, da je možnost snemanja slik pogosto neobvezna, snemalni modul pa ni vedno na voljo.

Druge slike

Pri IR fotografiji se bližnji infrardeči obseg zajame s posebnimi filtri. Digitalni fotoaparati praviloma blokirajo infrardeče sevanje. Vendar pa lahko poceni kamere, ki nimajo ustreznih filtrov, »vidijo« v bližnjem infrardečem območju. V tem primeru je navadno nevidna svetloba svetlo bela. To je še posebej opazno med snemanjem v bližini osvetljenih infrardečih predmetov (na primer svetilke), kjer zaradi hrupa slika bledi.

Omeniti velja tudi slikanje s T-žarki, ki je pridobitev slike v daljšem terahertnem območju. Zaradi pomanjkanja svetlih virov so takšne slike tehnično bolj zapletene kot večina drugih IR slik.

LED in laserji

Umetni viri infrardečega sevanja vključujejo poleg vročih predmetov tudi LED in laserje. Prve so majhne, ​​poceni optoelektronske naprave, izdelane iz polprevodniških materialov, kot je galijev arzenid. Uporabljajo se kot optoizolatorji in kot svetlobni viri v nekaterih komunikacijskih sistemih na osnovi optičnih vlaken. Optični IR laserji z visoko močjo delujejo na osnovi dioksida in ogljikovega monoksida. Uporabljajo se za iniciranje in spreminjanje kemijskih reakcij in ločevanje izotopov. Poleg tega se uporabljajo v lidarskih sistemih za določanje razdalje do objekta. Tudi viri infrardečega sevanja se uporabljajo v merilcih dosega avtomatskih samokoncentracijskih kamer, varnostnih alarmov in optičnih naprav za nočno opazovanje.

IR sprejemniki

Infrardeče naprave za zaznavanje vključujejo naprave, občutljive na temperaturo, kot so detektorji termočlenov, bolometri (nekateri od njih so ohlajeni na temperaturo blizu absolutna nič za zmanjšanje motenj samega detektorja), fotovoltaične celice in fotoprevodnike. Slednji so izdelani iz polprevodniških materialov (na primer, silicija in svinčevega sulfida), katerih električna prevodnost se poveča, ko je izpostavljena infrardečim žarkom.

Ogrevanje

Infrardeče sevanje se uporablja za ogrevanje - na primer za ogrevanje savn in odstranjevanje ledu iz letalskih kril. Poleg tega se vedno bolj uporablja za taljenje asfalta pri polaganju novih cest ali popravljanju poškodovanih območij. IR sevanje se lahko uporablja pri pripravi in ​​segrevanju hrane.

Povezava

IR valovne dolžine se uporabljajo za prenos podatkov na kratkih razdaljah, na primer med računalniškimi perifernimi napravami in osebnimi digitalnimi pomočniki. Te naprave običajno izpolnjujejo standarde IrDA.

Infrardeča komunikacija se pogosto uporablja v zaprtih prostorih na območjih z visoko gostoto prebivalstva. To je najpogostejši način za daljinsko upravljanje. Lastnosti infrardečih žarkov jim ne omogočajo, da bi prodrle v stene, zato ne vplivajo na opremo v sosednjih prostorih. Poleg tega se IR laserji uporabljajo kot svetlobni viri v optičnih komunikacijskih sistemih.

Spektroskopija

Infrardeča spektroskopija je tehnologija, ki se uporablja za določanje struktur in sestave (predvsem) organskih spojin s preučevanjem prenosa IR sevanja skozi vzorce. Temelji na lastnostih snovi, ki absorbirajo nekatere njegove frekvence, ki so odvisne od raztezanja in upogibanja v molekulah vzorca.

Značilnosti infrardeče absorpcije in emisije molekul in materialov so pomembne informacije o velikosti, obliki in kemični vezavi molekul, atomov in ionov v trdnih snoveh. Rotacijske energije in vibracije so kvantizirane v vseh sistemih. Infrardeče sevanje energije hν, ki jo oddaja ali absorbira določena molekula ali snov, je merilo razlike med nekaterimi notranjimi energetskimi stanji. Te pa so določene z atomsko maso in molekularnimi vezmi. Iz tega razloga je infrardeča spektroskopija močno orodje za določanje notranje strukture molekul in snovi ali, kadar so takšne informacije že znane in tabelirane, njihovo število. Metode IR spektroskopije se pogosto uporabljajo za določanje sestave in s tem izvora in starosti arheoloških vzorcev ter za odkrivanje ponaredkov umetniških del in drugih predmetov, ki so ob vidni svetlobi podobni originalom.

Koristi in škodo infrardečih žarkov

Dolgotrajno infrardeče sevanje se v medicini uporablja za:

• normalizacijo krvnega tlaka s spodbujanjem krvnega obtoka;
• čiščenje teles težkih kovinskih soli in toksinov;
• izboljšanje krvnega obtoka in spomina v možganih;
• normalizacija hormonskega ozadja;
• ohranjanje ravnotežja med vodo in soljo;
• omejitve širjenja gliv in klic;
• lajšanje bolečin;
• lajšanje vnetja;
• izboljšanje imunosti.

Hkrati lahko infrardeče sevanje škoduje akutnim gnojnim boleznim, krvavitvam, akutnim vnetjem, krvnim boleznim in malignim tumorjem. Nenadzorovana dolgotrajna izpostavljenost vodi v pordelost kože, opekline, dermatitis, vročinski kap. Kratkovalni infrardeči žarki so nevarni za oči - lahko se razvijejo fotofobija, katarakta, motnje vida. Zato je treba za ogrevanje uporabiti le vire dolgih valov.