Меню

Как поглотить инфракрасный свет



Инфракрасные лучи: свойства, области применения, влияние на человека. Источники инфракрасного излучения

Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны в невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 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.

Читайте также:  Сколько еще концов света будет или нет

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.

Читайте также:  Как связаться с инопланетянами с помощью света

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.

Источник

Как поглотить инфракрасный свет

У большинства тел на земной поверхности в спектре излучения максимум энергии заключается в инфракрасной части. Максимальное количество тепла дают лучи инфракрасные, красные, оранжевые, и все менее — в нисходящем порядке остальные — до фиолетовых.

Читайте также:  Шевроле круз при открывании двери от чего загорается свет

Поэтому-то в практических целях лучи левой части спектра и называют тепловыми. Их химическое действие выражено слабо и практически не принимается в расчет. Лучи правой части спектра (с ярко выраженным химическим действием при очень слабом тепловом) называет химическими. И хотя мы различаем три вида лучей: световые, тепловые и химические, существует только одна лучистая энергия. Все виды ее способны в различной степени нагревать, в различной степени оказывать химическое действие и только в ограниченной своей части (в пределах от 760 до 460 mu) оказывать раздражающее действие на сетчатку глаза и вызывать в нем сложное физиологическое ощущение света и различных цветов.

Согласно физическим законам, световые электромагнитные лучи, падая на различные тела, могут отражаться, преломляться, поглощаться, рассеиваться, люминисцировать, флюоресцировать.

Отражение и поглощение световых лучей

Существующие законы отражения, по которым падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения, свойственны в одинаковой степени всем видам лучистой энергии, причем процент отражения всецело зависит от вещества отражающего тела, от его формы, материала, из которого он сделан, и от длины волны луча. Наибольшим коэффициентом отражения от гладких поверхностей обладают инфракрасные лучи — до 98%’ для падающих лучей длиной 1,5 мм. Коэффициент отражения видимых лучей от воды равен 2%. Ультрафиолетовые лучи в отношении количества отражения уступают инфракрасным лучам. (В значительных размерах ультрафиолетовые лучи диффузно рассеиваются от мельчайших частиц облаков, снега, песка.

Обнаженная почва, почти совершенно поглощая световые и ультрафиолетовые лучи, отражает и излучает затем главным образом инфракрасные лучи. Водная поверхность, снежный и ледовый покровы отражают от себя световые, т. е. оптические и ультрафиолетовые, лучи.

В ряде руководств по гелиотерапии рекомендуется принимающим солнечные ванны на пляже располагаться как можно ближе к воде, с целью получения дополнительного количества ультрафиолетовой радиации солнца, отраженной от поверхности воды. Проф. Н. Н. Калитиным были проведены специальные исследования, чтобы определить, насколько значительнее отражается ультрафиолетовая радиация от поверхности воды непосредственно на берегу моря при разных метеорологических условиях и при различном состоянии моря.
Обработав 53 спектрограммы, содержащие несколько сот спектров, и отобрав из них 18 наилучших, проф. Калитин обобщил результаты своих опытов в следующей таблице.

Таким образом можно сделать вывод, что с ультрафиолетовой стороны спектр, отраженный от поверхности моря, всегда короче, чем спектр, падающий на воду солнечной радиации, и чем мутнее вода, тем происходит большее (поглощение ультрафиолетовой радиации.
Исследования, сделанные Калитиным, таким образом, показали, что солнечная ультрафиолетовая радиация (биологически: активная) от поверхности моря не отражается.

Количество лучистой энергии, отра женной от определенной поверхности, выраженное в процентах к падающей энергии, называется «альбедо».
Калитину принадлежат работы по определению альбедо в Ялте, Мисхоре, Феодосии, Нальчике» Тегенекли и на Эльбрусе. Наименьшие величины альбедо получились для морского песка (10—13%) и для травяного покрова (22—23%). Наибольшую величину отражения дали: ледники Эльбруса (68%), пляж в. Мисхоре из мелкой гальки (32%) и из крупной гальки (28%), пляж в Феодосии из ракушечного песка (31—32%), бетонированная площадка в Ялтинском туберкулезном институте (34%).

Отраженные от земной поверхности величины радиации доходят до 30% радиации падающей. Эти величины не постоянны и зависят от отражательной способности различных поверхностей, и атмосферных колебаний.

Значительное количество солнечной и рассеянной радиации атмосферы отражается и от кожи человека. По исследованию проф. Корчагина, кожа человека слабо отражает коротковолновую радиацию и сильно длинноволновую. От непигментированной и пигментированной кожи отражение происходит по-разному.

Источник