Инфракрасный диапазон. Как влияет инфракрасное излучение на организм человека

В различных сферах жизни человек использует инфракрасные лучи. Польза и вред излучения зависят от длины волны и времени воздействия.

В повседневной жизни человек постоянно находится под действием инфракрасного излучения (ИК-излучение). Естественным его источником является солнце. К искусственным относятся электронагревательные элементы и лампы накаливания, любые нагретые или раскаленные тела. Этот вид излучения используется в обогревателях, системах отопления, приборах ночного видения, пультах дистанционного управления. На ИК-излучении основан принцип действия медицинского оборудования для физиотерапии. Что же собой представляют инфракрасные лучи? В чем польза и вред этого вида излучения?

Что такое ИК-излучение

ИК-излучение - это электромагнитное излучение , форма энергии, которая нагревает предметы и примыкает к красному спектру видимого света. Глаз человека не видит в этом спектре, но мы чувствуем эту энергию как высокую температуру. Другими словами, люди кожей воспринимают инфракрасное излучение от нагретых предметов как ощущение тепла.

Инфракрасные лучи бывают коротковолновыми, средневолновыми и длинноволновыми. Длины волн, излучаемые нагретым предметом, зависят от температуры нагревания. Чем она выше, тем короче длина волны и интенсивнее излучение.

Впервые биологическое действие этого вида излучения было изучено на примере культур клеток, растений, животных. Обнаружено, что под влиянием ИК-лучей подавляется развитие микрофлоры, улучшаются обменные процессы вследствие активизации кровотока. Доказано, что это излучение улучшает циркуляцию крови и оказывает болеутоляющее и противовоспалительное действие. Отмечено, что под влиянием инфракрасного излучения пациенты после хирургического вмешательства легче переносят послеоперационные боли, а их раны быстрее заживают. Установлено, что ИК-излучение способствует повышению неспецифического иммунитета, что позволяет уменьшить действие ядохимикатов и гамма-излучения, а также ускоряет процесс выздоровления при гриппе. ИК-лучи стимулируют выведение из организма холестерина, шлаков, токсинов и других вредных веществ через пот и мочу.

Польза инфракрасных лучей

Благодаря этим свойствам ИК-излучение широко используется в медицине. Но применение ИК-излучений с широким спектром действия может привести к перегреву организма и покраснению кожи. Вместе с тем, длинноволновое излучение не оказывает негативного влияния, поэтому в быту и медицине более распространены длинноволновые приборы или излучатели с селективной длиной волны.

Воздействием длинноволновых ИК-лучей способствует следующим процессам в организме:

• Нормализация артериального давления за счет стимуляции кровообращения
• Улучшение мозгового кровообращения и памяти
• Очищение организма от токсинов, солей тяжелых металлов
• Нормализация гормонального фона
• Прекращение распространения вредных микробов и грибков
• Восстановление водно-солевого баланса
• Обезболивание и противовоспалительный эффект
• Укрепление иммунной системы.

Лечебное воздействие ИК-лучей может использоваться при следующих заболеваниях и состояниях:

• бронхиальная астма и обострение хронического бронхита
• очаговая пневмония в стадии разрешения
• хронический гастродуоденит
• гипермоторная дискинезия органов пищеварения
• хронический бескаменный холецистит
• остеохондроз позвоночника с неврологическими проявлениями
• ревматоидный артрит в ремиссии
• обострение деформирующего остеоартроза тазобедренного и коленного суставов
• облитерирующий атеросклероз сосудов ног, невропатии периферических нервов ног
• обострение хронического цистита
• мочекаменная болезнь
• обострение хронического простатита с нарушением потенции
• инфекционные, алкогольные, диабетические полиневропатии ног
• хронический аднексит и нарушения функции яичников
• абстинентный синдром

Отопление с использованием ИК-излучения способствует укреплению иммунной системы, подавляет размножение бактерий в окружающей среде и в человеческом организме, улучшает состояние кожи за счет усиления циркуляции крови в ней. Ионизирование воздуха является профилактикой обострений аллергии.

Когда ИК-излучение может навредить

Прежде всего, нужно учесть существующие противопоказания, прежде чем в лечебных целях использовать инфракрасные лучи. Вред от их применения может быть в следующих случаях:

• Острые гнойные заболевания
• Кровотечения
• Острые воспалительные заболевания, приведшие к декомпенсации органов и систем
• Системные заболевания крови
• Злокачественные новообразования

Кроме того, чрезмерное облучение широким спектром ИК-лучей приводит к сильному покраснению кожи и может вызвать ожог. Известно о случаях появления опухоли на лице у рабочих-металлургов в результате длительного воздействия этого вида излучения. Также отмечены случаи появления дерматита, возникновения теплового удара.

Инфракрасные лучи, особенно в интервале 0,76 - 1,5 мкм (коротковолновая область) представляют опасность для глаз. Продолжительное и длительное воздействие излучения чревато развитием катаракты, светобоязни и других нарушений зрения. По этой причине нежелательно длительно находиться под воздействием коротковолновых обогревателей. Чем ближе к такому обогревателю находится человек, тем меньше должно быть время, которое он проводит возле этого прибора. Нужно отметить, что этот тип обогревателей предназначен для уличного или локального обогрева. Для отопления жилых и производственных помещений, предназначенных для длительного пребывания людей, используются длинноволновые ИК-обогреватели.

Инфракрасное излучение (ИК ) - это электромагнитное излучение с большей длиной волны, чем видимый свет , простирающийся от номинального красного края видимого спектра на 0,74 мкм (микрон) до 300 мкм. Этот диапазон длин волн соответствует частоте диапазона примерно от 1 до 400 ТГц, и включает в себя большую часть теплового излучения, испускаемого объектами вблизи комнатной температуры. Инфракрасное излучение испускается или поглощается молекулами, когда они меняют свои вращательно-колебательные движения . Наличие инфракрасного излучения было впервые обнаружено в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем.

Большая часть энергии от Солнца поступает на Землю в виде инфракрасного излучения. Солнечный свет в зените обеспечивает освещённость чуть более 1 киловатта на квадратный метр над уровнем моря. Из этой энергии, 527 ватт инфракрасного излучения, 445 Вт является видимым светом, и 32 ватта ультрафиолетовым излучением.

Инфракрасный свет используется в промышленных, научных и медицинских нуждах. Приборы ночного видения с помощью инфракрасной подсветки позволяют людям наблюдать за животными, которые невозможно заметить в темноте. В астрономии изображение в инфракрасном диапазоне позволяет наблюдать объекты скрытые межзвездной пылью. Инфракрасные камеры используются для обнаружения потери тепла в изолированных системах, наблюдать изменение кровотока в коже, а также для обнаружения перегрева электрооборудования.

Сравнение света
Название	Длина волны	Частота (Гц)	Энергия фотона (эВ)
Гамма лучи	менее 0,01 нм	более чем на 10 EHZ	124 кэВ - 300 + ГэВ
Рентгеновые лучи	0,01 нм до 10 нм		124 эВ до 124 кэВ
Ультрафиолетовые лучи	10 нм - 380 нм	30 PHZ - 790 ТГц	3,3 эВ до 124 эВ
Видимый свет	380 нм - 750 нм	790 ТГц - 405 ТГц	1,7 эВ - 3,3 эВ
Инфракрасное излучение	750 нм - 1 мм	405 ТГц - 300 ГГц	1,24 мэВ - 1,7 эВ
Микроволны	1 мм - 1 метр	300 ГГц - 300 МГц	1,24 мкэВ - 1,24 мэВ
	1 мм - 100 км	300 ГГц - 3 Гц	12,4 фэВ - 1,24 мэВ

Инфракрасные изображения широко используются для военных и гражданских целей. Военные применения включают в себя такие цели как наблюдение, ночное наблюдение, наведение и слежение. Не для военного применения включают тепловую эффективность анализа, мониторинга окружающей среды, промышленной инспекции объектов, дистанционное зондирование температуры, короткодействующую беспроводную связь, спектроскопию и прогноз погоды. Инфракрасная астрономия использует датчик оборудованный телескопами для того, чтобы проникнуть в пыльные области пространства, такие как молекулярные облака, и обнаруживать объекты, такие как планеты .

Хотя ближневолновая инфракрасная область спектра (780-1000 нм) уже давно считается невозможной из-за шума в зрительных пигментах, ощущение ближнего инфракрасного света сохранилось у карпа и в трех видах циклид. Рыбы используют ближневолновую инфракрасную область спектра, чтобы захватить добычу и для фототактической ориентации во время плавания. Ближневолновая инфракрасная область спектра для рыбы может быть полезна в условиях плохой освещенности в сумерках и в мутных поверхностях воды.

Фотомодуляция

Ближний инфракрасный свет, или фотомодуляция, используется для лечения химиотерапией индуцированных язв, а также заживления ран. Существует ряд работ, связанных с лечением вируса герпеса. Исследовательские проекты включают в себя работу над изучением центральной нервной системы и лечебным воздействием через регуляцию цитохром и оксидаз и другие возможные механизмы.

Опасность для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в определенной отрасли и режиме высоких температур может быть опасно для глаз, в результате может привести к повреждению зрения или слепоте по отношению к пользователю. Поскольку излучение невидимо, необходимо надевать специальные инфракрасные очки в таких местах.

Земля как инфракрасный излучатель

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от солнца и вновь возвращают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом, капли облаков и водяные пары, а также диоксид углерода, метан, окись азота, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают инфракрасное излучение, и вновь возвращают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект сохраняет атмосферу и поверхность гораздо теплее, чем если бы инфракрасные амортизаторы отсутствовали в атмосфере.

История науки об инфракрасном излучении

Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, астроному, в начале 19 века. Гершель опубликовал результаты своих исследований в 1800 году до Лондонского королевского общества. Гершель использовал призму, чтобы преломить свет от солнца и обнаружить инфракрасное излучение, вне красной части спектра, через увеличение температуры, зарегистрированной на термометре. Он был удивлён результатом и назвал их «тепловыми лучами». Термин «инфракрасное излучение» появились только в конце 19 века.

Другие важные даты включают:

• 1737: Эмили дю Шатле предсказал, то, что сегодня известно как инфракрасное излучение в своей диссертации.
• 1835: Маседонио Мельони делает первые термобатареи с инфракрасным детектором.
• 1860: Густав Кирхгоф формулирует теорему абсолютно чёрного тела.
• 1873: Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость селена.
• 1879: Опытным путем сформулирован закон Стефана-Больцмана, согласно которому энергия , излученная абсолютно чёрным телом пропорциональна.
• 1880-е и 1890-е года: Лорд Рэлей и Вильгельм Вин оба решают часть уравнения абсолютно чёрного тела, но оба решения - приблизительные. Эту проблему называли «ультрафиолетовой катастрофой и инфракрасной катастрофой».
• 1901: Макс Планк Макс Планк издал уравнение абсолютно чёрного тела и теорему. Он решил проблему квантования допустимых энергетических переходов.
• 1905: Альберт Эйнштейн разрабатывает теорию фотоэлектрического эффекта, которая определяет фотоны. Также Уильям Коблентз в спектроскопии и радиометрии.
• 1917: Теодор Кейз разрабатывает датчик таллия-сульфида; британцы разрабатывают первый прибор инфракрасного поиска и слежения в Первой мировой войне и обнаруживают самолеты в диапазоне 1,6 км.
• 1935: Свинцовые соли - раннее ракетное руководство во Второй мировой войне.
• 1938: Тью Та предсказал, что пироэлектрический эффект может использоваться, чтобы обнаружить инфракрасную радиацию.
• 1952: Н. Уилкер обнаруживает антимониды, соединения сурьмы с металлами.
• 1950: Поль Круз и техасские инструменты образуют инфракрасные изображения до 1955 года.
• 1950-е и 1960-е годы: Спецификация и радиометрические подразделения, определенные Фредом Никодеменасом, Робертом Кларком Джоунсом.
• 1958: У. Д. Лоусон (Королевское Радарное Учреждение в Мальверне) обнаруживает свойства обнаружения ИК-фотодиодом.
• 1958: Фэлкон разработал ракеты с использованием инфракрасного излучения и появляется первый учебник по инфракрасным датчикам Поля Круза, и др.
• 1961: Джей Купер изобрёл пироэлектрическое обнаружение.
• 1962: Kruse и Родат продвигают фотодиоды; элементы сигналов и линейных массивов доступны.
• 1964: У. Г. Эванс обнаруживает инфракрасные терморецепторы у жука.
• 1965: Первый инфракрасный справочник, первые коммерческие тепловизоры; сформирована лаборатория ночного видения в армии Соединённых Штатов Америки (в настоящее время лаборатория управления ночного видения и электронными датчиками.
• 1970: Уиллард Бойл и Джордж Э.Смит предлагают прибор с зарядовой связью для телефона с изображениями.
• 1972: Создан общий программный модуль.
• 1978: Инфракрасная астрономия изображений достигает совершеннолетия, запланировано создание обсерватории, массовое производство антимонидов и фотодиодов и других материалов.

Свет – это залог существования живых организмов на Земле. Существует огромное количество процессов, которые могут протекать благодаря воздействию инфракрасного излучения. Помимо этого, его применяют в лечебных целях. С ХХ века терапия светом стала значимой составляющей традиционной медицины.

Особенности излучения

Фототерапия – это специальный раздел в физиотерапии, занимающийся изучением воздействия волны световой на организм человека. Было отмечено, что волны имеют различный диапазон, поэтому они по-разному сказываются на человеческом организме. Важно отметить, излучение владеет самой большой глубиной проникновения. Что касается поверхностного влияния, то им обладает ультрафиолет.

Диапазон инфракрасного спектра (спектр излучения) имеет соответствующую длину своей волны, а именно 780 нм. до 10000 нм. Что касается физиотерапии, то для лечения человека применяется длина волны, которая колеблется в спектре от 780 нм. до 1400 нм. Данный диапазон инфракрасного излучения считается нормой для терапии. Простыми словами, применяется соответствующая длина волны, а именно более короткая, способная проникать в кожу на три сантиметра. Помимо этого, учитывается специальная энергия кванта, частота излучений.

Согласно многим исследованиям, было установлено, что свет, радиоволны, лучи инфракрасные, обладают одной природой, так как это разновидности электромагнитной волны, которая окружает людей повсюду. Подобные волны обеспечивают работу телевизоров, мобильных телефонов и радио. Простыми словами, волны позволяют человеку увидеть окружающий мир.

Инфракрасный спектр имеет соответствующую частоту, длина волны которой 7-14 мкм, что оказывает уникальное воздействие на организм человека. Данная часть спектра соответствует излучениям человеческого тела.

Что касается объектов кванта, то молекулы не имеют возможности произвольно колебаться. Каждая молекула кванта обладает определенным комплексом энергии, частот излучений, которыми запасаются в момент колебаний. Однако стоит учесть, что молекулы воздуха оснащены обширным набором таких частот, поэтому атмосфера способна поглощать излучение в разнообразных спектрах.

Источники излучения

Солнце является основным источником ИК.

Благодаря ему предметы могут нагреваться до конкретной температуры. В итоге осуществляется излучение тепловой энергии в спектре данных волн. Затем энергия доходит к объектам. Процесс передачи тепловой энергии осуществляется от предметов с высокой температурой к более низкой. В этой ситуации у объектов присутствуют различные излучающие свойства, имеющие зависимость от нескольких тел.

Источники инфракрасного излучения присутствуют повсюду, они оснащенными такими элементами, как светодиоды. Все современные телевизоры оснащены пультами, работающими на дистанционном управлении, так как он функционирует в соответствующей частоте инфракрасного спектра. В их составе имеются светодиоды. Различные источники инфракрасного излучения можно увидеть на промышленных производствах, например: в сушке лакокрасочных поверхностей.

Самым ярким представителем искусственного источника на Руси являлись русские печи. Практически все люди испытали на себе влияние подобной печи, а также оценили ее пользу. Именно поэтому от нагретой печи или же радиатора отопления можно почувствовать такое излучение. В настоящее время огромной популярностью пользуются обогреватели инфракрасные. Они обладают перечнем преимуществ по сравнению с конвекционным вариантом, так как более экономичны.

Значение коэффициента

В инфракрасном спектре имеется несколько разновидностей коэффициента, а именно:

• излучения;
• коэффициент отражения;
• пропускной коэффициент.

Итак, коэффициент излучения является способностью объектов излучать частоту излучений, а также энергию кванта. Может меняться в соответствии с материалом и его свойствами, а также температуры. Коэффициент имеет такое максимальное излечение = 1, но в реальной ситуации он всегда меньше. Что касается низкой способности излучения, то ею наделены элементы, имеющие блестящую поверхность, а также металлы. Коэффициент зависит от температурных показателей.

Коэффициент отражения дает увидеть возможность материалов отражать частоту изучений. Зависит от типа материалов, свойств и температурных показателей. В основном отражение имеется у полированных и гладких поверхностей.

Коэффициент пропускания показывает способность предметов проводить сквозь себя частоту инфракрасного излучения. Подобный коэффициент напрямую зависит от толщины и разновидности материала. Важно заметить, что большая часть материалов не имеет такой коэффициент.

Использование в медицине

Световое лечение инфракрасным излучением стало достаточно популярным в современном мире. Применение инфракрасного излучения в медицине обусловлено тем, что методика имеет лечебные свойства. Благодаря этому, наблюдается благотворное влияние на организм человека. Тепловое влияние образует в тканях тело, регенерирует ткани и стимулирует репарацию, ускоряет физико-химические реакции.

Помимо этого, организм испытывает значительные улучшения, так как происходят такие процессы:

• ускорение кровотока;
• расширение сосудов;
• выработка биологически активных веществ;
• мышечная релаксация;
• прекрасное настроение;
• комфортное состояние;
• хороший сон;
• снижение давления;
• снятие физического, психоэмоционального перенапряжения и прочее.

Видимый эффект от лечения наступает в течение нескольких процедур. Помимо отмеченных функций, инфракрасный спектр оказывает противовоспалительное влияние на организм человека, помогает бороться с инфекцией, стимулирует и укрепляет иммунную систему.

Подобная терапия в медицине имеет следующие свойства:

• биостимулирующее;
• противовоспалительное;
• дезинтоксикационное;
• улучшение кровотока;
• пробуждение второстепенных функций организма.

Инфракрасное световое излучения, а точнее лечение им, имеет видимую пользу для человеческого организма.

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.

Показания и противопоказания к лечению

ИК имеет основные показания к применению в медицине:

• болезни лор-органов;
• невралгия и неврит;
• заболевания, затрагивающие опорно-двигательный аппарат;
• патология глаз и суставов;
• воспалительные процессы;
• раны;
• ожоги, язвы, дерматозы и рубцы;
• астма бронхиальная;
• цистит;
• болезнь мочекаменная;
• остеохондроз;
• холецистит без камней;
• артрит;
• гастродуоденит в хронической форме;
• пневмония.

Световое лечение имеет положительные результаты. Помимо лечебного эффекта, ИК может быть опасно для человеческого организма. Это обусловлено тем, что имеются определенные противопоказания, не соблюдая которые можно нанести вред здоровью.

Если имеются следующие недуги, то подобное лечение принесет вред:

• период беременности;
• болезни крови;
• индивидуальная непереносимость;
• хронические болезни в острой стадии;
• гнойные процессы;
• туберкулез активной формы;
• предрасположенность к кровотечениям;
• новообразования.

Следует учитывать указанные противопоказания, чтобы не причинить вреда собственному здоровью. Слишком высокая интенсивность излучения способна причинить огромный вред.

Что касается вреда ИК в медицине и на производстве, то может возникнуть ожог и сильнейшее покраснение кожного покрова. В некоторых случаях у людей возникали опухоли на лице, так как они контактировали с данным излучением достаточно долго. Существенный вред инфракрасного излучения может вылиться в форме дерматитов, а также бывает тепловой удар.

Инфракрасные лучи достаточно опасны для глаз, особенно в диапазоне до 1,5 мкм. Длительное воздействие оказывает существенный вред, так как появляется светобоязнь, катаракта, проблемы со зрением. Длительное влияние ИК – очень опасно не только для людей, но для растений. Используя оптические приборы, можно постараться исправить проблему со зрением.

Воздействие на растения

Всем известно, что ИК оказывают благотворное влияние на рост, развитие растений. Например, если обустроить теплицу обогревателем с ИК, то можно увидеть ошеломляющий результат. Обогрев осуществляется в инфракрасном спектре, где соблюдается определенная частота, а волна равна от 50 000 нм. до 2 000 000 нм.

Существуют достаточно интересные факты, согласно которым можно узнать, что все растения, живые организмы, подвергаются влиянию солнечного света. Радиация солнца имеет определенный диапазон, состоящий из 290 нм. – 3000 нм. Простыми словами, лучистая энергия оказывает важную роль в жизни каждого растения.

Учитывая интересные и познавательные факты, можно определить, что растения нуждаются в свете и солнечной энергии, так как они отвечают за формирование хлорофилла и хлоропластов. Скорость света влияет на растяжение, зарождение клеток и ростовых процессов, сроки плодоношения и цветения.

Специфика микроволновой печи

Бытовые микроволновые печи оснащены микроволнами, показатели которых немного ниже гамма и рентгеновских лучей. Такие печи способны спровоцировать ионизирующий эффект, который несет опасность человеческому здоровью. Микроволны расположились в промежутке между инфракрасными и радиоволнами, поэтому такие печи не могут ионизировать молекулы, атомы. Исправные СВЧ-печи не оказывают воздействия на людей, так как они впитываются в пищу, образуя тепло.

СВЧ-печи – не могут излучать радиоактивных частиц, поэтому не оказывают радиоактивного влияния на пищу и живые организмы. Именно поэтому не стоит переживать, что микроволновые печи способны навредить вашему здоровью!

В невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 10 12 и 5∙10 14 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 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.

Гамма-излучение Ионизирующее Реликтовое Магнито-дрейфовое Двухфотонное Спонтанное Вынужденное

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

Электромагнитный спектр
γ-излучение | рентген | УФ | видимый свет | ИК | терагерцевое излучение | микроволны | радиоволны
Видимый спектр	фиолетовый | синий | голубой | зелёный | жёлтый | оранжевый | красный
Микроволны	W | V | Q | K a | | K u | | | |
Радиоволны	КВЧ/EHF | СВЧ/SHF | УВЧ/UHF | ОВЧ/VHF | ВЧ/HF | СЧ/MF | НЧ/LF | ОНЧ/VLF | ИНЧ/ULF | СНЧ/SLF | КНЧ/ELF