Инфрацрвени зраци: својства, примене, ефекти на људе. Извори инфрацрвеног зрачења

Инфрацрвени зраци су електромагнетни таласи у невидљивом региону електромагнетног спектра, који почиње иза видљиве црвене светлости и завршава испред микроталасног зрачења између фреквенција 10 ¹² и 5 10 ¹⁴ Хз (или је у опсегу таласних дужина од 1–750 нм). Име долази од латинске речи инфра и значи "испод црвене".

Употреба инфрацрвених зрака је разнолика. Користе се за визуализацију објеката у мраку или у диму, топлотне сауне и загријавање зракопловних крила како би се заштитили од залеђивања, у блиском пољу, и при провођењу спектроскопске анализе органских спојева.

Дисцовери

Инфрацрвене зраке су 1800. године открили британски музичар и астроном аматер немачког поријекла, Виллиам Херсцхел. Користећи призму, он је поделио сунчеву светлост на своје саставне компоненте и регистровао повећање температуре иза црвеног дела спектра користећи термометар.

Инфрацрвено зрачење и топлота

Инфрацрвено зрачење се често назива топлотним. Међутим, треба напоменути да је то само њена посљедица. Топлина је мера транслационе енергије (енергије кретања) атома и молекула материје. "Температурни" сензори заправо не мјере топлоту, већ само разлике у инфрацрвеном зрачењу различитих објеката.

Многи наставници физике инфрацрвене зраке традиционално приписују цијелу топлину Сунчево зрачење. Али то није сасвим тачно. Са видљивом сунчевом светлошћу, 50% све топлоте долази, а електромагнетни таласи било које фреквенције са довољним интензитетом могу изазвати топлоту. Међутим, може се рећи да на собној температури објекти емитују топлоту углавном у средњем инфрацрвеном појасу.

ИР зрачење апсорбује и емитује ротације и вибрације хемијски везаних атома или њихових група, а самим тим и многих врста материјала. На пример, транспарентно за прозирно стакло видљивог светла ИР зрачење упија. Инфрацрвене зраке се углавном апсорбују у води и атмосфери. Иако су невидљиве очима, могу их осјетити и кожа.

Земља као извор инфрацрвеног зрачења

Површина наше планете и облаци упијају сунчеву енергију, од чега се већина у виду ИР зрачења испушта у атмосферу. Одређене супстанце у њој, углавном капљице паре и воде, као и метан, угљен диоксид, азотни оксид, хлорофлуороугљици и сумпорни хексафлуорид, апсорбују се у инфрацрвеном подручју спектра и рерадирају у свим правцима, укључујући и Земљу. Зато зато ефекат стаклене баште Земљина атмосфера и површина су много топлије него да су супстанце које апсорбују инфрацрвене зраке у ваздуху биле одсутне.

Ово зрачење игра важну улогу у преносу топлоте и саставни је дио такозваног ефекта стакленика. Глобално, утицај инфрацрвених зрака проширује се на равнотежу зрачења Земље и утиче на скоро све активности биосфере. Практично сваки објект на површини наше планете емитује електромагнетно зрачење углавном у овом дијелу спектра.

Инфрацрвена подручја

Инфрацрвени опсег је често подељен на уже сегменте спектра. Немачки институт за стандарде ДИН је дефинисао следеће таласне дужине инфрацрвених зрака:

• близу (0,75-1,4 микрона), који се обично користи у оптичкој комуникацији;
• краткоталасна (1,4-3 μм), почевши од које се значајно повећава апсорпција ИР зрачења водом;
• средњи талас, који се назива и средњи (3-8 микрона);
• лонгваве (8-15 микрона);
• далеко (15-1000 микрона).

Међутим, ова класификациона шема се не користи свуда. На пример, у неким студијама су назначени следећи распони: близу (0.75-5 микрона), средња (5-30 микрона), и дуга (30-1000 микрона). Таласне дужине које се користе у телекомуникацијама су подељене у одвојене опсеге због ограничења детектора, појачала и извора.

Општа нотација је оправдана људским реакцијама на инфрацрвене зраке. Близина инфрацрвеног подручја најближа је таласној дужини која је видљива људском оку. Просечно и далеко инфрацрвено зрачење постепено се уклањају из видљивог дела спектра. Остале дефиниције прате различите физичке механизме (као што су пикови емисије и упијање воде), а најновији се заснивају на осјетљивости кориштених детектора. На пример, конвенционални силицијум сензори су осетљиви на око 1050 нм, а индијум галијум арсенид се креће од 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Јасна граница између инфрацрвеног и видљивог светла није дефинисана. Људско око је много мање осетљиво на црвено светло, које превазилази таласну дужину од 700 нм, али се интензиван сјај (ласер) може видети до око 780 нм. Почетак ИР опсега дефинисан је у различитим стандардима на различите начине - негдје између тих вриједности. Ово је обично 750 нм. Због тога су видљиви инфрацрвени зраци у опсегу од 750-780 нм.

Ознаке у комуникационим системима

Оптичка комуникација у блиском инфрацрвеном подручју је технички подељена на више фреквентних опсега. Ово је због другачијег извори светлости апсорбирајући и преносиви материјали (влакна) и детектори. Оне укључују:

• О-опсег 1.260-1.360 нм.
• Е-опсег 1,360-1,460 нм.
• С-опсег 1,460-1,530 нм.
• Ц-опсег 1,530-1,565 нм.
• Л-опсег 1.565-1.625 нм.
• У-опсег 1,625-1,675 нм.

Термографија

Термографија, или термичка обрада слике, је врста инфрацрвене слике објеката. Пошто сва тела емитују у инфрацрвеном опсегу, а интензитет зрачења расте са температуром, специјализоване камере са ИР сензорима се могу користити за детекцију и снимање слика. У случају веома врућих објеката у близини инфрацрвеног или видљивог региона, овај метод се назива пирометрија.

Термографија је независна од осветљења видљивог светла. Сходно томе, могуће је “видјети” окружење чак иу мраку. Посебно, топли предмети, укључујући људе и топлокрвне животиње, истичу се на хладнијој позадини. Инфрацрвена фотографија пејзажа побољшава приказ објеката у зависности од њиховог преноса топлоте: плаво небо и вода изгледају готово црно, а зелено лишће и кожа се јасно манифестују.

Историјски, термографија је широко коришћена од стране војске и служби безбедности. Поред тога, проналази многе друге употребе. На пример, ватрогасци га користе да виде кроз дим, пронађу људе и пронађу вруће тачке током пожара. Термографија може открити абнормални раст ткива и дефекте у електронским системима и круговима због повећане производње топлоте. Електричари који опслужују далеководе могу открити прегревање прикључака и дијелова, сигнализирајући квар и елиминирати потенцијалну опасност. У случају повреде топлотне изолације, грађевински стручњаци могу уочити цурење топлоте и повећати ефикасност система за хлађење или грејање. У неким аутомобилима високе класе, термални фотоапарати су инсталирани како би помогли возачу. Помоћу термографских слика могуће је контролисати неке физиолошке реакције код људи и топлокрвних животиња.

Изглед и начин рада модерне термографске камере не разликују се од изгледа конвенционалне видео камере. Способност да се види у инфрацрвеном спектру је тако корисна особина да је способност снимања слика често опционална, а модул за снимање није увијек доступан.

Отхер имагес

У ИР фотографији, инфрацрвени опсег се снима помоћу специјалних филтера. Дигитални фотоапарати, по правилу, блокирају инфрацрвено зрачење. Међутим, јефтине камере које немају одговарајуће филтере могу да "виде" у блиском инфрацрвеном опсегу. У овом случају, обично невидљиво светло изгледа светло бело. Ово је посебно уочљиво током снимања у близини осветљених инфрацрвених објеката (на пример, лампи), где бука која се појављује чини слику избледелом.

Такође треба поменути и Т-беам снимање, које је снимање слике у далеком терахерц опсегу. Недостатак светлих извора чини такве слике технички сложенијим од већине других ИР метода.

ЛЕД и ласери

Умјетни извори инфрацрвеног зрачења, поред врућих предмета, укључују и ЛЕД и ласере. Први су мали, јефтини оптоелектронски уређаји направљени од полупроводничких материјала као што је галијум арсенид. Користе се као оптоизолатори и као извори светлости у неким комуникационим системима заснованим на оптичким влакнима. Оптички ласерски ласери велике снаге раде на бази диоксида и угљен моноксида. Користе се за покретање и промену хемијских реакција и одвајање изотопа. Осим тога, они се користе у лидарним системима за одређивање удаљености до објекта. Такође, извори инфрацрвеног зрачења користе се у далеководима аутоматских камера за аутофокусирање, сигурносних аларма и оптичких уређаја за ноћни вид.

ИР пријемници

Уређаји за детекцију инфрацрвених зрака укључују уређаје осјетљиве на температуру, као што су детектори термопарова, болометри (неки од њих су охлађени на температуре близу абсолуте зеро за смањење сметњи од самог детектора), фотонапонских ћелија и фотокондуктора. Потоњи су направљени од полупроводничких материјала (нпр. Силицијум и оловни сулфид), чија се електрична проводљивост повећава када је изложена инфрацрвеним зракама.

Грејање

Инфрацрвено зрачење се користи за загревање - на пример, за загревање сауна и уклањање леда са авионских крила. Осим тога, све се више користи за топљење асфалта приликом постављања нових путева или поправке оштећених подручја. ИР зрачење се може користити у припреми и загревању хране.

Цоннецтион

ИР таласне дужине се користе за пренос података на кратке удаљености, на пример, између рачунарске периферије и личних дигиталних асистената. Ови уређаји су обично у складу са ИрДА стандардима.

Инфрацрвена комуникација се обично користи у затвореном простору у подручјима високе густине насељености. Ово је најчешћи начин за даљинско управљање уређајима. Својства инфрацрвених зрака не дозвољавају им да продру у зидове, те стога не комуницирају са опремом у сусједним собама. Поред тога, ИР ласери се користе као извори светлости у оптичким комуникационим системима.

Спектроскопија

Инфрацрвена радијациона спектроскопија је технологија која се користи за одређивање структура и композиција (углавном) органских једињења проучавањем преноса ИР зрачења кроз узорке. Она се заснива на својствима супстанци да апсорбују одређене фреквенције, које зависе од истезања и савијања унутар молекула узорка.

Карактеристике инфрацрвене апсорпције и емисије молекула и материјала пружају важне информације о величини, облику и хемијском везивању молекула, атома и јона у чврстим материјама. Енергије ротације и вибрације се квантизују у свим системима. Инфрацрвено зрачење енергије хν коју емитује или апсорбује одређени молекул или супстанца је мера разлике између одређених унутрашњих енергетских стања. Они су, пак, одређени атомском тежином и молекуларним везама. Из тог разлога, инфрацрвена спектроскопија је моћно средство за одређивање унутрашње структуре молекула и супстанци или, када су такве информације већ познате и табелиране, њихов број. Методе ИР спектроскопије се често користе за одређивање састава и, према томе, порекла и старости археолошких узорака, као и за откривање фалсификата уметничких дела и других објеката који, када се посматрају под видљивим светлом, личе на оригинале.

Предности и штетност инфрацрвених зрака

Дугорочно инфрацрвено зрачење користи се у медицини за:

• нормализација крвног притиска стимулацијом циркулације крви;
• чишћење тела од соли и токсина тешких метала;
• побољшавају циркулацију и памћење мозга;
• нормализација хормонског порекла;
• одржава равнотежу воде и соли;
• ограничења ширења гљива и клица;
• ублажавање бола;
• ублажавање упале;
• побољшање имунитета.

Истовремено, инфрацрвено зрачење може бити штетно код акутних гнојних болести, крварења, акутне упале, болести крви и малигних тумора. Неконтролисано продужено излагање доводи до црвенила коже, опекотина, дерматитиса, топлотног удара. Краткоталасни инфрацрвени зраци су опасни за очи - могу се развити фотофобија, катаракте, оштећење вида. Због тога се за загријавање треба користити само извори дуготрајног зрачења.