Инфракрасное излучение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Изображение собаки, полученное в инфракрасном излучении

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны[1] λ = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (λ ~ 1—2 мм, частота 300 ГГц).

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 приёмниками, а также специальными фотоматериалами[2].

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.[3]

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое 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[править | править вики-текст]

Эксперимент Гершеля

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.

Раньше лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскалённые 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[4].

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 решётки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте[4].

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[4].

Диапазоны инфракрасного излучения[править | править вики-текст]

Объекты обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, но иногда только ограниченная область спектра представляет интерес, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны.

Обычная схема деления[править | править вики-текст]

Чаще всего разделение на более мелкие диапазоны производится следующим образом:[5]

Аббревиатура Длина волны Энергия фотонов Характеристика
Near-infrared, NIR 0.75-1.4 мкм 0.9-1.7 эВ Ближний ИК, ограниченный с одной стороны видимым светом, с другой — прозрачностью воды, значительно ухудшающейся при 1,45 мкм. В этом диапазоне работают широко распространенные инфракрасные светодиоды и лазеры для систем оптической связи. Видеокамеры и приборы ночного видения на основе ЭОП также чувствительны в этом диапазоне.
Short-wavelength infrared, SWIR 1.4-3 мкм 0.4-0.9 эВ Поглощение электромагнитного излучения водой значительно возрастает при 1450 нм. Диапазон 1530—1560 нм преобладает в области дальней связи.
Mid-wavelength infrared, MWIR 3-8 мкм 150-400 мэВ В этом диапазоне начинают излучать тела, нагретые до нескольких сотен градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловые головки самонаведения систем ПВО и технические тепловизоры.
Long-wavelength infrared, LWIR 8-15 мкм 80-150 мэВ В этом диапазоне начинают излучать тела с температурами около нуля градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловизоры для приборов ночного видения.
Far-infrared, FIR 15 — 1000 мкм 1.2-80 мэВ

CIE схема[править | править вики-текст]

Международная комиссия по освещённости (англ. International Commission on Illumination) рекомендует разделение инфракрасного излучения на следующие три группы:[6]

  • IR-A: 700 нм – 1400 нм (0.7 мкм – 1.4 мкм)
  • IR-B: 1400 нм – 3000 нм (1.4 мкм – 3 мкм)
  • IR-C: 3000 нм – 1 мм (3 мкм – 1000 мкм)

ISO 20473 схема[править | править вики-текст]

Международная организация по стандартизации предлагает следующую схему:

Обозначение Аббревиатура Длина волны
Ближний инфракрасный диапазон NIR 0.78–3 мкм
Средний инфракрасный диапазон MIR 3–50 мкм
Дальний инфракрасный диапазон FIR 50–1000 мкм

Астрономическая схема[править | править вики-текст]

Астрономы обычно делят инфракрасный спектр следующим образом:[7]

Обозначение Аббревиатура Длина волны
Ближний инфракрасный диапазон NIR (0.7–1) - 5 мкм
Средний инфракрасный диапазон MIR 5 - (25–40) мкм
Дальний инфракрасный диапазон FIR (25–40) - (200–350) мкм

Тепловое излучение[править | править вики-текст]

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания. Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана. Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа. Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Применение[править | править вики-текст]

Изображение девушки, полученное в инфракрасном диапазоне

Прибор ночного видения[править | править вики-текст]

Существует несколько способов визуализировать невидимое инфракрасное изображение:

  • Современные полупроводниковые видеокамеры чувствительны в ближнем ИК. Во избежание ошибок цветопередачи обычные бытовые видеокамеры снабжаются специальным фильтром, отсекающим ИК изображение. Камеры для охранных систем, как правило, не имеют такого фильтра. Однако в темное время суток нет естественных источников ближнего ИК, поэтому без искусственной подсветки (например, инфракрасными светодиодами) такие камеры ничего не покажут.
  • Электронно-оптический преобразователь — вакуумный фотоэлектронный прибор, усиливающий свет видимого спектра и ближнего ИК. Имеет высокую чувствительность и способен давать изображение при очень низкой освещенности. Являются исторически первыми приборами ночного видения, широко используются и в настоящее время в дешевых ПНВ. Поскольку работают только в ближнем ИК, то, как и полупроводниковые видеокамеры, требуют наличия освещения.
  • Болометр — тепловой сенсор. Болометры для систем технического зрения и приборов ночного видения чувствительны в диапазоне длин волн 3..14 мкм (средний ИК), что соответствует излучению тел, нагретых от 500 до −50 градусов Цельсия. Таким образом, болометрические приборы не требуют внешнего освещения, регистрируя излучение самих предметов и создавая картинку разности температур.

Термография[править | править вики-текст]

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.

Инфракрасное самонаведение[править | править вики-текст]

Инфракрасная головка самонаведения — головка самонаведения, работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью. Представляет собой оптико-электронный прибор, предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство (АПУ) сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования.

Инфракрасный обогреватель[править | править вики-текст]

Отопительный прибор, отдающий тепло преимущественно излучением, а не конвекцией. В быту иногда неточно называется рефлектором. Лучистая энергия поглощается окружающими поверхностями, превращаясь в тепловую энергию, нагревает их, которые в свою очередь отдают тепло воздуху. Это дает существенный экономический эффект по сравнению с конвекционным обогревом, где тепло существенно расходуется на обогрев неиспользуемого подпотолочного пространства. Кроме того, при помощи ИК обогревателей появляется возможность местного обогрева только тех площадей в помещении, в которых это необходимо без обогрева всего объёма помещения; тепловой эффект от инфракрасных обогревателей ощущается сразу после включения, что позволяет избежать предварительного нагрева помещения. Эти факторы снижают затраты энергии.

При покраске[править | править вики-текст]

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.

Инфракрасная астрономия[править | править вики-текст]

Раздел астрономии и астрофизики, исследующий космические объекты, видимые в инфракрасном излучении. При этом под инфракрасным излучением подразумевают электромагнитные волны с длиной волны от 0,74 до 2000 мкм. Инфракрасное излучение находится в диапазоне между видимым излучением, длина волны которого колеблется от 380 до 750 нанометров, и субмиллиметровым излучением.

Инфракрасная астрономия начала развиваться в 1830-е годы, спустя несколько десятилетий после открытия инфракрасного излучения Уильямом Гершелем. Первоначально прогресс был незначительным и до начала 20 века отсутствовали открытия астрономических объектов в инфракрасном диапазоне помимо Солнца и Луны, однако после ряда открытий, сделанных в радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах, астрономы осознали наличие большого объёма информации, находящегося вне видимого диапазона волн. С тех пор была сформирована современная инфракрасная астрономия.

Инфракрасная спектроскопия[править | править вики-текст]

Инфракрасная спектроскопия — раздел спектроскопии, охватывающий длинноволновую область спектра (>730 нм за красной границей видимого света). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно — в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. ИК излучение поглощают многие газы, за исключением таких как О2, N2, H2, Cl2 и одноатомных газов. Поглощение происходит на длине волны, характерной для каждого определенного газа, для СО, например, таковой является длина волны 4,7 мкм.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно короткими молекулами: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров, комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно длинными молекулами (белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и др.) находятся в терагерцевом диапазоне, поэтому строение этих молекул можно установить с помощью радиочастотных спектрометров терагерцевого диапазона. По числу и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения — о количестве вещества (количественный анализ). Основные приборы — различного типа инфракрасные спектрометры.

Передача данных[править | править вики-текст]

Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA) В отличие от радиоканала инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся необходимость в оптических окнах на оборудовании, правильной взаимной ориентации устройств, низкие скорости передачи (обычно не превышает 5-10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров возможны существенно более высокие скорости). Кроме этого, не обеспечивается скрытность передачи информации. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров, но наиболее удобен он для связи компьютеров, находящихся в одной комнате, где отражения от стен комнаты дает устойчивую и надежную связь. Наиболее естественный тип топологии здесь — «шина» (то есть переданный сигнал одновременно получают все абоненты). Инфракрасный канал не смог получить широкого распространения, его вытеснил радиоканал.

Дистанционное управление[править | править вики-текст]

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.

Медицина[править | править вики-текст]

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии.

Влияние длинноволнового инфракрасного излучения :

Стимуляция и улучшение кровообращения. При воздействии длинноволнового инфракрасного излучения на кожный покров происходит раздражение рецепторов кожи и, вследствие реакции гипоталамуса, расслабляются гладкие мышцы кровеносных сосудов, в результате сосуды расширяются.

Улучшение процессов метаболизма. При тепловом воздействии инфракрасного излучения стимулируется активность на клеточном уровне, улучшаются процессы нейрорегуляции и метаболизма.

Повышение иммунитета. Инфракрасное излучение положительно влияет на выработку макрофагоцитов и на процесс фагоцитоза, усиливает иммунитет на клеточном и жидкостном уровне. Кроме того, происходит стимуляция синтеза аминокислот, активных клеток, ускоряется производство питательных веществ и ферментов.

Обеззараживание бактерий и нейтрализация вредных веществ.

Уменьшение болевых ощущений.

Результаты, достигаемые под воздействием длинноволновых инфракрасных лучей:

  • Нормализация артериального давления за счет регулярной стимуляции кровообращения.
  • Улучшение памяти
  • Улучшение мозгового кровообращения.
  • Способствуют очищению организма: выводятся токсины, разрушаются соли тяжелых металлов и выводятся с организма.
  • Нормализация гормонального фона, выработка гормонов: мелатонина, эндорфина.
  • Блокирует распространение вредных микробов и грибков в организме.
  • Восстанавливают водно-солевой баланс.
  • Согревают наше тело и поддерживают оптимальную температуру.
  • Уничтожают и подавляют рост раковых клеток, профилактика онкологических заболеваний.
  • Оказывают дезодорирующее, противоядное воздействие.
  • Обладают обезболивающим и противовоспалительным действием.
  • Положительно воздействуют на иммунную систему.

При инфракрасной терапии с использованием керамики снимется мышечное и эмоциональное напряжение, усталость, повышается стрессоустойчивость организма, снимается болевой синдром, происходит регуляция кровяного давления за счет регулярной стимуляции кровообращения, улучшается память, восстанавливается сон и функциональность внутренних органов, укрепляется иммунитет.[источник не указан 121 день]

Стерилизация пищевых продуктов[править | править вики-текст]

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Пищевая промышленность[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесённые 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[источник не указан 1329 дней]. 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 надёжной защитой от подделок.

Опасность для здоровья[править | править вики-текст]

Очень сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может высушивать слизистую оболочку глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких ситуациях необходимо надевать специальные защитные очки для глаз. [8]

Инфракрасное излучение с длиной волны 1.35 мкм, 2.2 мкм при достаточной пиковой мощности в лазерном импульсе может вызывать эффективное разрушение молекул ДНК, более сильное, чем излучение в ближнем ИК-диапазоне[9].

Земля как инфракрасный излучатель[править | править вики-текст]

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от солнца и переизлучают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом капли воды и водяной пар, а также диоксид углерода, метан, азот, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают это инфракрасное излучение и вновь излучают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект удерживает атмосферу и поверхность в более нагретом состоянии, чем если бы инфракрасные поглотители отсутствовали в атмосфере[10][11].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Длина электромагнитной волны в вакууме.
  2. Инфракрасное излучение // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия
  3. Инфракрасное излучение // БСЭ
  4. 1 2 3 Спектр // Энциклопедия Кольера
  5. Byrnes James Unexploded Ordnance Detection and Mitigation. — Springer, 2009. — P. 21–22. — ISBN 978-1-4020-9252-7.
  6. Henderson, Roy Wavelength considerations. Instituts für Umform- und Hochleistungs. Проверено 18 октября 2007.
  7. Near, Mid and Far-Infrared. NASA IPAC. Проверено 4 апреля 2007. Архивировано из первоисточника 29 мая 2013.
  8. Monona Rossol The artist's complete health and safety guide. — 2001. — С. 33. — 405 с. — ISBN 978-1-58115-204-3.
  9. Иванов Игорь. Губительным для ДНК является весь ближний ИК-диапазон излучения. elementy.ru (02.05.2014). Проверено 3 мая 2014.
  10. Global Sources of Greenhouse Gases. Emissions of Greenhouse Gases in the United States 2000. Energy Information Administration (2 мая 2002). Проверено 13 августа 2007. Архивировано из первоисточника 29 мая 2013.
  11. Clouds & Radiation. Проверено 12 августа 2007.

Ссылки[править | править вики-текст]