Promienie podczerwone: właściwości, zastosowania, wpływ na ludzi. Źródła promieniowania podczerwonego

Promienie podczerwone są fale elektromagnetyczne w niewidzialnym obszarze widma elektromagnetycznego, które rozpoczyna się za widocznym czerwonym światłem i kończy się przed promieniowaniem mikrofalowym między częstotliwościami 10 ¹² i 5 10 ¹⁴ Hz (lub jest w zakresie długości fal 1-750 nm). Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa infra i oznacza "poniżej czerwonego".

Korzystanie z promieni podczerwonych jest różnorodne. Służą do wizualizacji obiektów w ciemności lub w dymie, sauny ciepła i skrzydeł samolotów cieplnych w celu ochrony przed oblodzeniem, w bliskim polu i podczas przeprowadzania analizy spektroskopowej związków organicznych.

Odkrycie

Promienie podczerwone odkrył w 1800 roku brytyjski muzyk i astronom amator niemiecki pochodzenia, William Herschel. Używając pryzmatu, podzielił światło słoneczne na jego składniki składowe i zarejestrował wzrost temperatury za czerwoną częścią widma za pomocą termometru.

Promieniowanie podczerwone i ciepło

Promieniowanie podczerwone jest często nazywane termicznym. Należy jednak zauważyć, że jest to tylko konsekwencja. Ciepło jest miarą energii translacyjnej (energii ruchu) atomów i cząsteczek materii. Czujniki "temperatury" faktycznie nie mierzą ciepła, a jedynie różnice w promieniowaniu podczerwonym różnych obiektów.

Wielu nauczycieli fizyki promienie podczerwone tradycyjnie przypisują cały termiczny Promieniowanie słoneczne. Ale to nie jest do końca prawdą. Przy widocznym świetle słonecznym, 50% całego ciepła przychodzi, a fale elektromagnetyczne o dowolnej częstotliwości z wystarczającą intensywnością mogą powodować ciepło. Jednak można powiedzieć, że w temperaturze pokojowej przedmioty emitują ciepło głównie w środkowej podczerwieni.

Promieniowanie podczerwone jest absorbowane i emitowane przez obroty i wibracje chemicznie związanych atomów lub ich grup, a w konsekwencji przez wiele rodzajów materiałów. Na przykład, przezroczysty dla światła widzialnego szkło okienne pochłania promieniowanie podczerwone. Promienie podczerwone są w znacznym stopniu absorbowane przez wodę i atmosferę. Chociaż są niewidoczne dla oczu, mogą być wyczuwalne przez skórę.

Ziemia jako źródło promieniowania podczerwonego

Powierzchnia naszej planety i chmury pochłaniają energię słoneczną, z których większość w postaci promieniowania podczerwonego jest uwalniana do atmosfery. Niektóre znajdujące się w nim substancje, głównie pary i kropelki wody, a także metan, dwutlenek węgla, podtlenek azotu, chlorofluorowęglowodory i sześciofluorek siarki, absorbują w podczerwieni obszar widma i napromieniowują we wszystkich kierunkach, w tym na Ziemi. Dlatego, ponieważ efekt cieplarniany Atmosfera i powierzchnia Ziemi są znacznie cieplejsze niż w przypadku braku substancji pochłaniających promienie podczerwone w powietrzu.

Promieniowanie to odgrywa ważną rolę w przekazywaniu ciepła i stanowi integralną część tak zwanego efektu cieplarnianego. Globalnie wpływ promieni podczerwonych rozciąga się na bilans promieniowania Ziemi i wpływa prawie na całą aktywność biosferyczną. Praktycznie każdy obiekt na powierzchni naszej planety emituje promieniowanie elektromagnetyczne głównie w tej części spektrum.

Obszary podczerwieni

Zakres podczerwieni jest często podzielony na węższe segmenty widma. Niemiecki Instytut Norm DIN zdefiniował następujące długości fal promieniowania podczerwonego:

• bliskie (0,75-1,4 mikrona), powszechnie stosowane w komunikacji światłowodowej;
• krótkofalówka (1,4-3 μm), od której znacznie wzrasta absorpcja promieniowania IR przez wodę;
• fala średnia, zwana także pośrednią (3-8 mikronów);
• longwave (8-15 mikronów);
• daleko (15-1000 mikronów).

Jednak ten schemat klasyfikacji nie jest wszędzie stosowany. Na przykład w niektórych badaniach wskazano następujące zakresy: bliski (0,75-5 mikronów), średni (5-30 mikronów) i długi (30-1000 mikronów). Długości fal stosowane w telekomunikacji są podzielone na osobne pasma z powodu ograniczeń detektorów, wzmacniaczy i źródeł.

Ogólna notacja jest uzasadniona ludzkimi reakcjami na promieniowanie podczerwone. Obszar bliskiej podczerwieni jest najbliższy długości fali widocznej dla ludzkiego oka. Średnie i dalekie promieniowanie podczerwone są stopniowo usuwane z widocznej części spektrum. Inne definicje wynikają z różnych mechanizmów fizycznych (takich jak szczyty emisji i absorpcja wody), a najnowsze są oparte na czułości użytych detektorów. Na przykład, konwencjonalne czujniki krzemowe są wrażliwe na około 1050 nm, a arsenin indu galu mieści się w zakresie od 950 nm do 1700 i 2200 nm.

Jasna granica pomiędzy podczerwienią i światłem widzialnym nie jest zdefiniowana. Oko ludzkie jest znacznie mniej wrażliwe na czerwone światło, przekraczające długość fali 700 nm, ale intensywny blask (laser) może być widoczny do około 780 nm. Początek zakresu IR jest definiowany w różnych standardach na różne sposoby - gdzieś pomiędzy tymi wartościami. Zazwyczaj jest to 750 nm. Dlatego widoczne promienie podczerwone są możliwe w zakresie 750-780 nm.

Oznaczenia w systemach łączności

Komunikacja optyczna w obszarze bliskiej podczerwieni jest technicznie podzielona na kilka pasm częstotliwości. Wynika to z innego źródła światła materiały absorbujące i przekazujące (włókna) i detektory. Należą do nich:

• Zakres -0,260-1,360 nm.
• Zakres e 1 1360-1 460 nm.
• S-zakres 1,460-1,530 nm.
• Zakres C 1,530-1,565 nm.
• Zakres L 1,565-1,625 nm.
• Zakres U 1,625-1,675 nm.

Termografia

Termografia lub termografia to rodzaj podczerwonego obrazu obiektów. Ponieważ wszystkie ciała emitują w zakresie podczerwieni, a intensywność promieniowania wzrasta wraz z temperaturą, wyspecjalizowane kamery z czujnikami IR mogą być używane do wykrywania i rejestrowania obrazów. W przypadku bardzo gorących obiektów w obszarze bliskiej podczerwieni lub widzialnym, ta metoda nazywana jest pirometrią.

Termografia jest niezależna od światła widzialnego. W konsekwencji możliwe jest "zobaczenie" środowiska nawet w ciemności. W szczególności ciepłe przedmioty, w tym ludzie i zwierzęta stałocieplne, wyróżniają się na tle chłodniejszego tła. Fotografowanie w podczerwieni krajobrazu poprawia wyświetlanie obiektów w zależności od ich przenikania ciepła: błękitne niebo i woda wydają się prawie czarne, a zielone liście i skóra są żywo manifestowane.

Historycznie termografia była szeroko stosowana przez wojsko i służby bezpieczeństwa. Ponadto znajduje wiele innych zastosowań. Na przykład strażacy używają go do sprawdzania dymu, znajdowania ludzi i lokalizowania gorących miejsc podczas pożaru. Termografia może ujawnić nienormalny wzrost tkanki i defekty w układach elektronicznych i obwodach ze względu na ich zwiększone wytwarzanie ciepła. Elektrycy obsługujący linie energetyczne mogą wykrywać przegrzanie połączeń i części, sygnalizując awarię i eliminując potencjalne niebezpieczeństwo. W przypadku naruszenia izolacji termicznej specjaliści budowlani mogą zobaczyć wycieki ciepła i zwiększyć wydajność systemów chłodzenia lub ogrzewania. W niektórych samochodach z wyższej półki instalowane są kamery termiczne, które pomagają kierowcy. Za pomocą obrazów termograficznych można kontrolować niektóre reakcje fizjologiczne u ludzi i zwierząt stałocieplnych.

Wygląd i sposób działania nowoczesnej kamery termograficznej nie różnią się od konwencjonalnej kamery wideo. Zdolność widzenia w widmie podczerwieni jest tak przydatną funkcją, że możliwość zapisu obrazów jest często opcjonalna, a moduł nagrywania nie zawsze jest dostępny.

Inne obrazy

W przypadku fotografii w podczerwieni zakres bliskiej podczerwieni jest rejestrowany przy użyciu specjalnych filtrów. Aparaty cyfrowe z reguły blokują promieniowanie podczerwone. Jednak tanie aparaty, które nie mają odpowiednich filtrów, są w stanie "widzieć" w zakresie bliskiej podczerwieni. W takim przypadku zwykle niewidoczne światło wygląda jasno-białe. Jest to szczególnie widoczne podczas fotografowania w pobliżu oświetlonych obiektów w podczerwieni (na przykład lamp), gdzie powstający szum powoduje, że obraz jest wyblakły.

Warto również wspomnieć o obrazowaniu wiązką T, które jest pozyskiwaniem obrazów w zakresie dalekiego teraherca. Brak jasnych źródeł sprawia, że ​​obrazy te są technicznie bardziej złożone niż większość innych metod obrazowania w podczerwieni.

Diody LED i lasery

Sztuczne źródła promieniowania podczerwonego obejmują, oprócz gorących przedmiotów, diody LED i lasery. Te pierwsze to małe, niedrogie urządzenia optoelektroniczne wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak arsenek galu. Są używane jako optoizolatory i źródła światła w niektórych systemach komunikacji opartych na światłowodach. Lasery podczerwieni o dużej mocy, zasilane optycznie, działają na bazie dwutlenku węgla i tlenku węgla. Służą do inicjowania i zmiany reakcji chemicznych oraz do rozdzielania izotopów. Ponadto są one wykorzystywane w systemach lidar do określania odległości od obiektu. Źródła promieniowania podczerwonego są wykorzystywane w lokalizatorach automatycznych samostanujących się kamer, alarmach bezpieczeństwa i optycznych urządzeniach do obserwacji w nocy.

Odbiorniki podczerwieni

Urządzenia do wykrywania podczerwieni obejmują urządzenia wrażliwe na temperaturę, takie jak detektory termopar, bolometry (niektóre z nich są chłodzone do temperatur bliskich absolutne zero w celu zmniejszenia zakłóceń od samego detektora), ogniw fotowoltaicznych i fotoprzewodników. Te ostatnie są wykonane z materiałów półprzewodnikowych (na przykład z krzemu i siarczku ołowiu), których przewodność elektryczna wzrasta po wystawieniu na promieniowanie podczerwone.

Ogrzewanie

Promieniowanie podczerwone służy do ogrzewania - na przykład do ogrzewania saun i usuwania lodu ze skrzydeł samolotu. Ponadto coraz częściej używa się go do topienia asfaltu podczas układania nowych dróg lub naprawiania uszkodzonych obszarów. Promieniowanie podczerwone można wykorzystać do przygotowania i podgrzewania żywności.

Połączenie

Długości fal podczerwieni są używane do przesyłania danych na krótkich dystansach, na przykład między komputerowymi urządzeniami peryferyjnymi i osobistymi asystentami cyfrowymi. Te urządzenia zwykle są zgodne ze standardami IrDA.

Komunikacja w podczerwieni jest powszechnie stosowana w pomieszczeniach o dużej gęstości zaludnienia. Jest to najpowszechniejszy sposób na zdalne sterowanie urządzeniami. Właściwości promieni podczerwonych nie pozwalają im przenikać przez ściany, a zatem nie wchodzą w interakcje z urządzeniami w sąsiednich pomieszczeniach. Ponadto, lasery IR są używane jako źródła światła w światłowodowych systemach komunikacyjnych.

Spektroskopia

Spektroskopia promieniowania podczerwonego jest technologią stosowaną do określania struktury i składu (głównie) związków organicznych poprzez badanie transmisji promieniowania podczerwonego przez próbki. Opiera się na właściwościach substancji absorbujących pewne jej częstotliwości, które zależą od rozciągania i zginania wewnątrz cząsteczek próbki.

Charakterystyka absorpcji w podczerwieni i emisji cząsteczek i materiałów dostarcza ważnych informacji na temat wielkości, kształtu i wiązania chemicznego cząsteczek, atomów i jonów w ciałach stałych. Energie obrotowe i wibracje są kwantyzowane we wszystkich systemach. Promieniowanie podczerwone energii hν emitowanej lub pochłoniętej przez daną cząsteczkę lub substancję jest miarą różnicy między pewnymi wewnętrznymi stanami energii. One z kolei są wyznaczane przez ciężar atomowy i wiązania molekularne. Z tego powodu spektroskopia w podczerwieni jest potężnym narzędziem do określania wewnętrznej struktury cząsteczek i substancji lub, gdy takie informacje są już znane i zestawiane w tabelach, ich liczby. Metody spektroskopii w podczerwieni są często stosowane do określenia składu, a tym samym pochodzenia i wieku próbek archeologicznych, a także do wykrywania fałszerstw dzieł sztuki i innych przedmiotów, które w świetle widzialnym przypominają oryginały.

Korzyści i szkoda promieni podczerwonych

Długofalowe promieniowanie podczerwone jest stosowane w medycynie w celu:

• normalizacja ciśnienia krwi poprzez stymulację krążenia krwi;
• oczyszczanie ciała soli metali ciężkich i toksyn;
• poprawić krążenie krwi i pamięć mózgu;
• normalizacja tła hormonalnego;
• utrzymywać równowagę wody i soli;
• ograniczenia w rozprzestrzenianiu się grzybów i zarazków;
• uśmierzenie bólu;
• łagodzenie stanu zapalnego;
• Wzmocnienie odporności.

Jednocześnie promieniowanie podczerwone może być szkodliwe w przypadku ostrych ropnych chorób, krwawień, ostrych stanów zapalnych, chorób krwi i nowotworów złośliwych. Niekontrolowane długotrwałe narażenie prowadzi do zaczerwienienia skóry, oparzeń, zapalenia skóry, udaru cieplnego. Krótkofalowe promienie podczerwone są niebezpieczne dla oczu - mogą rozwijać się światłowstręt, katarakty, zaburzenia widzenia. Dlatego do ogrzewania należy używać tylko źródeł promieniowania długofalowego.