Инфракрасное излучение: польза и вред для человека. Инфракрасный диапазон

Инфракрасное излучение. Открытие инфракрасного излучения

Определение 1

Под инфракрасным излучением (ИК) понимается форма энергии или способ обогрева, при котором тепло от одного тела передается другому телу.

Человек в процессе своей жизни постоянно находится под действием ИК-излучения и способен чувствовать эту энергию как тепло, идущее от предмета. Воспринимается инфракрасное излучение кожей человека , глаза в этом спектре не видят.

Естественным источником высокой температуры является наше светило. С температурой нагревания связана длина волны инфракрасных лучей, которые бывают коротковолновыми, средневолновыми, длинноволновыми.

Короткая длина волны имеет высокую температуру и интенсивное излучение. Ещё в $1800$ г. английский астроном У. Гершель проводил наблюдения за Солнцем. Занимаясь исследованием светила, он искал способ, который бы позволил уменьшить нагрев инструмента, при помощи которого эти исследования проводились. На одном из этапов своей работы ученый обнаружил, что за насыщенным красным цветом находится «максимум тепла ». Исследование стало началом изучения инфракрасного излучения .

Если раньше источниками инфракрасного излучения в лаборатории служили раскаленные тела или электрические разряды в газах, то сегодня созданы современные источники инфракрасного излучения с частотой, которую можно регулировать или фиксировать. Их основой являются твердотельные и молекулярные газовые лазеры.

В ближней инфракрасной области (около $1,3$ мкм) для регистрации излучения пользуются специальными фотопластинками .

В дальней инфракрасной области излучение регистрируется болометрами – это детекторы, которые являются чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

Инфракрасные волны имеют разную длину , поэтому их проникающая способность будет тоже разная.

Длинноволновые , идущие от Солнца лучи, например, спокойно проходят через атмосферу Земли , при этом, не нагревая её. Проникая через твердые тела, они увеличивают их температуру, поэтому для всего живого на планете огромное значение имеет именно дальнее излучение .

Интересно, что в постоянной компенсирующей подпитке нуждаются все живые тела, которые тоже излучают такой же спектр тепла. При отсутствии такой подпитки, температура живого тела падает, что является причиной его уязвимости для различных инфекций. Эта дополнительная подпитка в виде ИК-излучения, как считают ученые, скорее полезна , чем вредна.

Замечание 1

Специалисты провели на животных многочисленные эксперименты, которые показали, что инфракрасные лучи подавляют рост раковых клеток, уничтожают ряд вирусов, нейтрализуют разрушительное действие электромагнитных волн. Длинноволновые инфракрасные лучи повышают количество инсулина, вырабатываемого организмом, и нивелируют последствия радиоактивного воздействия.

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение, как в быту, так и в разных сферах деятельности человека.

Основными областями его применения являются:

Термография . ИК-излучение позволяет определить температуру объектов, которые находятся на каком-то удалении. В промышленных и военных целях широко используется тепловидение, его камеры могут обнаружить ИК и произведут изображение этого излучения. Благодаря термографическим камерам без всякого освещения можно «видеть» все, что находится рядом, потому что все нагретые объекты испускают ИК.

Слежение . Используется ИК слежение при наведении ракет, в которые встраивается устройство, получившее название «тепловые искатели ». В результате того, что двигатели машин и механизмов, да и сам человек излучают тепло, то хорошо будут видны в инфракрасном диапазоне, а отсюда ракеты без всякого труда находят направление полета.

Обогрев. Как источник тепла ИК повышает температуру и благотворно влияет на здоровье человека, например, инфракрасные сауны , о которых сегодня много говорят. Используют их при лечении гипертонии, сердечной недостаточности, ревматоидного артрита.

Метеорология . Высота облаков, температура поверхности воды и земли определяется со спутников, делающих инфракрасные изображения. На таких снимках холодные облака окрашены в белый цвет, теплые же облака окрашены в серый цвет. Черным или серым цветом окрашивается горячая поверхность земли.

Астрономия. При наблюдении за небесными объектами астрономы используют специальные инфракрасные телескопы. Благодаря этим телескопам ученые определяют протозвезды до момента излучения ими видимого света, различают прохладные объекты, наблюдают ядра галактик.

Искусство . И здесь инфракрасное излучение нашло применение. Искусствоведы, благодаря инфракрасным рефлектограммам , видят нижние слои картин, наброски художника. Данный прибор помогает отличить оригинал от копии, ошибки реставрационных работ. С его помощью изучаются старые письменные документы.

Медицина. Широко известны лечебные свойства ИК - терапии. Нагретая глина, песок, соль издавна считались целебными и благотворно влияющими на организм человека. ИК помогают лечить переломы, улучшают обмен веществ в организме, ведут борьбу с ожирением, способствуют заживлению ран, улучшают циркуляцию крови, оказывают благотворное влияние на суставы и мышцы.

Кроме этого лечебное воздействие используют при заболеваниях:

1. Хроническим бронхитом и бронхиальной астмой;
2. Пневмонией;
3. Хроническим холециститом и его обострением;
4. Простатитом с нарушением потенции;
5. Ревматоидным артритом;
6. При заболеваниях мочевыводящих путей и др.

Для того чтобы использовать инфракрасные лучи в лечебных целях, необходимо учитывать противопоказания.

Большой вред они могут принести:

1. Когда у человека есть гнойные заболевания;
2. Скрытые кровотечения;
3. Заболевания крови;
4. Новообразования и, прежде всего, злокачественные;
5. Воспалительные заболевания, чаще всего острые.

Коротковолновые ИК отрицательно воздействуют на мозговую ткань человека, в результате чего наблюдается «солнечный удар ». Вред в этом случае очевиден. Человек испытывает головную боль, пульс и дыхание становятся учащенными, в глазах темнеет, возможна потеря сознания. При дальнейшем облучении организм не выдерживает – происходит отек тканей и оболочек мозга, появляются симптомы энцефалита и менингита. Короткие волны особенно сильный вред наносят глазам человека, сердечнососудистой системе.

Замечание 2

Таким образом, получается, что польза воздействия ИК на организм, несмотря на отрицательные моменты, значительна.

Защита от инфракрасного излучения

Для снижения наносимого ИК вреда и защиты от него разработаны нормы ИК-облучения, безопасные для человека.

Основные мероприятия защиты:

1. Устаревшие технологии необходимо заменить современными, что позволит снизить интенсивность излучения источника;
2. Использование экранов из металлических сеток и цепей, облицовка асбестом открытых печных проёмов;
3. Обязательная индивидуальная защита и, прежде всего, глаз очками со светофильтрами;
4. Защита тела льняной или полульняной спецодеждой;
5. Рациональный режим труда и отдыха;
6. Обязательные лечебно-профилактические мероприятия работников.

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

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

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

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

Ближние или иначе коротковолновые ИК лучи совсем не горячие, фактически мы их даже не чувствуем. Эти волны используются, например, в пультах дистанционного управления телевизоров, системах автоматики, охранных системах и т.д. Их частота больше, и соответственно их энергия выше, чем у дальних (длинных) инфракрасных лучей. Но не на таком уровне, чтобы повредить организму. Тепло же начинает создаваться на средних инфракрасных длинах волн, и их энергию мы уже чувствуем. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, т. к. излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека, как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Например источник с длиной волны 1,1 мкм соответствует расплавленному металлу, а источник с длиной волны 3,4 мкм – металлу к концу прокатки, ковки.

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

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

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

В результате воздействия инфракрасного излучения можно наблюдать:

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

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

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

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.

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.

Инфракрасные (ИК) лучи – это электромагнитные волны. Человеческий глаз не способен воспринимать это излучение, но человек воспринимает его как тепловую энергию и ощущает всей кожей. Нас постоянно окружают источники ИК излучения, которые отличаются интенсивностью и длиной волн.

Стоит ли опасаться инфракрасных лучей, вред или пользу приносят они человеку и в чем заключается их воздействие?

Что же такое ИК-излучение, его источники

Как известно, спектр солнечного излучения, воспринимаемый глазом человека как видимый цвет, находится между фиолетовыми волнами (самые короткие – 0, 38 мкм) и красными (самыми длинными – 0,76 мкм). Помимо этих волн, существуют электромагнитные волны, не доступные для человеческого глаза – ультрафиолетовые и инфракрасные. «Ультра» обозначает, что они находятся ниже или, другими словами, меньше фиолетового излучения. «Инфра», соответственно, – выше или больше красного излучения.

То есть, ИК-излучение – это электромагнитные волны, лежащие за диапазоном красного цвета, длина которых больше, чем у видимого красного излучения. Исследуя электромагнитные излучения, немецкий астроном Уильям Гершель обнаружил невидимые волны, которые вызывали повышение температуры термометра, и назвал их инфракрасным тепловым излучением.

Естественным мощнейшим источником теплового излучения является Солнце. Из всех излучаемых светилом лучей 58% приходится именно на долю инфракрасных. Искусственными источниками служат все электронагревательные приборы, преображающие электроэнергию в тепло, а так же любые предметы, температура которых выше абсолютной нулевой отметки – 273оС.

Свойства инфракрасного излучения

ИК-излучение имеет ту же природу и свойства, что и обычный свет, только большую длину волны. Видимые глазу световые волны, достигая предметов, отражаются, преломляясь определенным образом, и человек видит отражение предмета в широкой цветовой гамме. А инфракрасные лучи, достигая предмета, поглощаются им, выделяя энергию и нагревая этот предмет. ИК-излучение мы не видим, но осязаем его как тепло.

Другими словами, если бы Солнце не выделяло широкий спектр длинноволновых инфракрасных лучей, человек только бы видел солнечный свет, но не ощущал его тепло.

Трудно представить жизнь на Земле без солнечного тепла.

Некоторая часть его поглощается атмосферой, а доходящие до нас волны делятся на:

Короткие – длина лежит в диапазоне 0,74 мкм – 2,5 мкм, а источают их предметы, нагретые до температуры более 800оС;

Средние – от 2,5 мкм до 50 мкм, t нагревания от 300 до 600ос;

Длинные – самый широкий диапазон от 50 мкм до 2000 мкм (2 мм), t до 300оС.

Свойства инфракрасного излучение, его польза и вред для человеческого организма, обусловлены источником излучения – чем выше температура излучателя, тем интенсивнее волны и глубже их проникающая способность, степень воздействие на любые живые организмы. Исследования, проведенные на клеточном материале растений и животных, обнаружили целый ряд полезных свойств ИК лучей, что нашло широкое применение их в медицине.

Польза ИК-излучения для человека, применение в медицине

Медицинские исследования доказали, что для человека не только безопасны, но и очень полезны ИК лучи, находящиеся в длинном диапазоне. Они активизируют кровоток и улучшают процессы обмена, подавляют развитие бактерий и способствуют быстрому заживлению ран после операционных вмешательств. Способствуют вырабатыванию иммунитета против ядовитых химических веществ и гамма-излучения, стимулируют выведение токсинов, шлаков через пот и мочу и понижению холестерина.

Особенно эффективными являются лучи длиной 9,6 мкм, которые способствуют регенерации (восстановлению) и оздоровлению органов и систем человеческого организма.

В народной медицине испокон веков применялось лечение нагретой глиной, песком или солью – это яркие примеры благотворного воздействия тепловых ИК лучей на человека.

Современная медицина для лечения ряда заболеваний научилась использовать полезные свойства:

При помощи инфракрасного излучения можно лечить переломы костей, патологические изменения в суставах, ослаблять мышечные боли;

ИК лучи оказывают положительный эффект при лечении парализованных больных;

Быстро заживляют раны (послеоперационные и другие), снимают болевые ощущения;

За счет стимуляции кровообращения помогают нормализовать артериальное давление;

Улучшают кровообращение в мозгу и память;

Выводят из организма соли тяжелых металлов;

Имеют выраженный противомикробный, противовоспалительный и противогрибковый эффект;

Укрепляют иммунную систему.

Бронхиальная астма, пневмония, остеохондроз, артрит, мочекаменная болезнь, пролежни, язвы, радикулит, обморожение, заболевания органов пищеварения – далеко не полный список патологий, для лечения которых используется положительное влияние ИК-излучения.

Отопление жилых помещений при помощи приборов ИК-излучения способствует ионизированию воздуха, борется с проявлениями аллергии, уничтожает бактерии, плесневые грибки, улучшает состояние кожных покровов благодаря активизации циркуляции крови. Приобретая обогреватель, обязательно необходимо выбирать длинноволновые приборы.

Другие сферы применения

Свойство предметов излучать тепловые волны нашло применение в различных областях человеческой деятельности. Например, при помощи специальных термографических камер, способных улавливать тепловое излучение, в абсолютной темноте можно увидеть и распознать любые предметы. Термографические камеры широко используются в военном деле и промышленности для обнаружения невидимых предметов.

В метеорологии и астрологии ИК лучи используются для определения расстояний до предметов, облаков, температуры поверхности воды и т.д., инфракрасные телескопы позволяют изучать космические объекты, недоступные для видения через обычные приборы.

Наука не стоит на месте и число ИК приборов и сфер их применения постоянно растет.

Вред

Человек, как и любое тело, излучает средние и длинные инфракрасные волны, которые лежат в диапазоне длиной от 2,5 мкм до 20-25 мкм, поэтому именно волны такой длины полностью безопасны для человека. Короткие волны способны глубоко проникать в ткани человека, провоцируя нагревание внутренних органов.

Коротковолновое инфракрасное излучение не только вредно, но и очень опасно для человека, особенно для зрительных органов.

Солнечный тепловой удар, провоцируемый короткими волнами, происходит при нагревании головного мозга всего на 1С. Его симптомами являются:

Сильное головокружение;

Тошнота;

Учащение пульса;

Потеря сознания.

Металлурги и сталевары, постоянно подвергающиеся тепловому воздействию коротких ИК лучей, чаще других подвергаются заболеваниям сердечно — сосудистой системы, имеют ослабленный иммунитет, чаще подвергаются простудным заболеваниям.

Чтобы избежать вредного воздействия инфракрасного излучения, необходимо принимать защитные меры и ограничивать время пребывания под опасными лучами. А вот польза теплового солнечного излучения для жизни на нашей планете – неоспорима!