Что такое инфракрасное излучение. Длина волны ик излучения.

Инфракрасные массовые сауны широко распространены в Японии и Китае. И тенденция к такому оздоровлению постоянно растет.

Инфракрасный диапазон

Уильям Гершель первым обнаружил, что за красным краем спектра, полученного через призму солнца, находится невидимое излучение, которое нагревает термометр. Это излучение позже назвали тепловым или инфракрасным излучением.

Ближнее инфракрасное излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется теми же приборами. В среднем и дальнем инфракрасном диапазоне для отметки изменений используются болометры.

Вся планета Земля и все объекты на ней, даже лед, светятся в среднем инфракрасном диапазоне. Это предотвращает перегрев Земли под воздействием солнечной радиации. Но не все инфракрасное излучение проникает в атмосферу. Существует лишь несколько прозрачных окон; остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому охлаждению Земли.

Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения от объектов инфракрасные телескопы среднего и дальнего радиуса действия выводятся в космос и охлаждаются до температуры жидкого азота или даже гелия.

Инфракрасный диапазон — одна из самых интересных областей для астрономов. Там светится космическая пыль, которая важна для формирования звезд и развития галактик. Инфракрасный свет проникает в облака космической пыли лучше, чем видимый свет, и может сделать видимыми объекты, невидимые для наблюдателей в других частях спектра.

Источники

Участок одного из так называемых «Глубоких полей» Хаббла. В 1995 году космический телескоп в течение 10 дней собирал свет из одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики на расстоянии до 13 миллиардов световых лет (менее миллиарда лет с момента Большого взрыва). Видимый свет от объектов, расположенных так далеко, претерпевает сильное красное смещение и становится инфракрасным светом.

Наблюдения проводились в области, удаленной от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большинство обнаруженных объектов являются галактиками, находящимися на различных стадиях эволюции.

Галактика Сомбреро в инфракрасном диапазоне

Гигантская спиральная галактика, также известная как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и почти видна нам со стороны. Она имеет огромную центральную выпуклость (сферическое утолщение в центре галактики) и содержит около 800 миллиардов звезд — в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь.

В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда солнечных масс. Это определяется скоростью движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном спектре в галактике хорошо видно кольцо из газа и пыли, в котором рождаются активные звезды.

С другой стороны, инфракрасное излучение в дальнем инфракрасном спектре обладает всеми полезными свойствами естественного солнечного света. Опасное воздействие солнечной радиации полностью исключено.

Что такое инфракрасное излучение

Чтобы понять, как работает инфракрасное излучение, необходимо понять физическое явление инфракрасного излучения.

Диапазон инфракрасного излучения и длина волны

Инфракрасное излучение является одним из видов электромагнитного излучения и охватывает спектр электромагнитных волн от 0,77 мкм до 340 мкм. Диапазон от 0,77 до 15 мкм — коротковолновое излучение, от 15 до 100 мкм — средневолновое излучение и от 100 до 340 — длинноволновое излучение.

Коротковолновая часть спектра граничит с видимым светом, а длинноволновая часть сливается в ультракоротковолновый диапазон. Таким образом, инфракрасное излучение обладает свойствами как видимого света (распространяется по прямой линии, отражается и преломляется, как видимый свет), так и радиоволн (может проникать через некоторые материалы, непрозрачные для видимого света).

Инфракрасные излучатели с температурой поверхности от 700 C до 2500 C имеют длину волны 1,55-2,55 мкм и называются «яркими» — по длине волны ближе к видимому свету; излучатели с более низкой температурой поверхности имеют большую длину волны и называются «темными».

Источники инфракрасного излучения

В целом, любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасной области спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию другим телам посредством излучения. Перенос энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом различные тела обладают различной способностью излучения и поглощения в зависимости от природы двух тел, характера их поверхности и т.д.

Электромагнитное излучение имеет квантово-фотонный характер. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества и отдает им свою энергию. Это увеличивает энергию тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения преобразуется в тепло.

Суть лучистого отопления заключается в том, что горелка, как источник излучения, генерирует и формирует тепловое излучение в помещении и направляет его в зону обогрева. Он попадает на ограждающие конструкции здания (пол, стены), техническое оборудование и людей, находящихся в зоне излучения, поглощается ими и нагревает их. Лучистый поток поглощается поверхностями, одеждой и кожей человека, обеспечивая тепловой комфорт без повышения температуры воздуха в помещении. Воздух в отапливаемых помещениях остается практически непроницаемым для инфракрасного излучения, но нагревается за счет «вторичного тепла», т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.

Как и солнечный свет, инфракрасное излучение играет важную роль в формировании погоды и климата Земли. Вся масса солнечного света, поглощенная Землей, должна вернуться в космос от Земли в равных количествах в виде инфракрасного излучения. В противном случае глобальное потепление или похолодание планеты неизбежно.

Подкатегории ИК-волн

Инфракрасная часть электромагнитного спектра охватывает диапазон от 300 ГГц (1 мм) до 400 ТГц (750 нм). Можно выделить три типа инфракрасных волн:

• Дальний инфракрасный диапазон: от 300 ГГц (1 мм) до 30 ТГц (10 мкм); нижнюю часть можно назвать микроволнами. Эти лучи поглощаются спинами молекул в газовой фазе, молекулярными движениями в жидкостях и фотонами в твердых телах. Вода в атмосфере Земли поглощается настолько сильно, что становится непрозрачной. Однако существуют определенные длины волн (окна), которые используются для пропускания.
• Средний ИК-диапазон: от 30 до 120 ТГц (от 10 до 2,5 мкм). Источниками являются горячие объекты. Поглощение колебаниями молекул (большое количество атомов, вибрирующих в равновесном положении). Этот диапазон иногда называют диапазоном отпечатков пальцев, поскольку он представляет собой специфическое явление.
• Ближайший ИК-диапазон составляет от 120 до 400 ТГц (2500-750 нм). Эти физические процессы аналогичны тем, которые происходят в видимом свете. Более высокие частоты встречаются в некоторых типах фотопленки и датчиках для ИК-излучения, фотографии и видео.

Тепло и тепловое излучение

Инфракрасное излучение также называют тепловым излучением. Инфракрасный свет от солнца покрывает только 49% нагрева Земли, остальное — видимый свет (который поглощается и переизлучается на более длинных волнах).

Тепло — это летучая энергия, которая течет из-за разницы температур. В то время как тепло переносится посредством проводимости или конвекции, излучение может распространяться в вакууме.

Чтобы понять инфракрасное излучение, нам необходимо внимательно изучить понятие излучательной способности.

Источники ИК-волн

Люди и большая часть планетарной среды производят тепловое излучение в диапазоне 10 мкм. Это граница, разделяющая среднюю и дальнюю инфракрасные области. Многие астрономические тела испускают заметное количество инфракрасного излучения на нетепловых длинах волн.

ИК-лучи можно использовать для расчета температуры объектов на расстоянии. Этот метод известен как термография и часто используется в военных и промышленных целях.

Термографические изображения собаки или кошки

Инфракрасные волны также используются в отоплении, связи, метеорологии, спектроскопии, астрономии, биологии и медицине, а также в художественном анализе.

Тепло — это летучая энергия, которая течет из-за разницы температур. В то время как тепло переносится посредством проводимости или конвекции, излучение может распространяться в вакууме.

Инфракрасное зондирование

Одним из наиболее полезных применений инфракрасного спектра является обнаружение. Все объекты на Земле испускают инфракрасное излучение в виде тепла. Это можно обнаружить с помощью электронных датчиков — таких, которые используются в очках ночного видения и инфракрасных камерах.

Простым примером такого датчика является вольтметр, который состоит из телескопа с термочувствительным резистором или термистором в фокусе, согласно данным Калифорнийского университета в Беркли. Когда горячее тело попадает в поле зрения этого устройства, тепло вызывает заметное изменение напряжения на термисторе.

В камерах ночного видения используется усовершенствованная версия болометра. Эти камеры обычно содержат микросхемы приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые чувствительны к инфракрасному излучению. Изображение, полученное с помощью ПЗС-матрицы, может быть воспроизведено в видимом свете. Эти системы можно сделать достаточно маленькими, чтобы использовать их в портативных устройствах или очках ночного видения. Такие камеры могут также использоваться для оптических прицелов с дополнительным инфракрасным лазером для прицеливания или без него.

Инфракрасная спектроскопия измеряет инфракрасное излучение материалов на определенных длинах волн. Инфракрасный спектр вещества показывает характерные провалы и пики, когда фотоны (частицы света) поглощаются или испускаются электронами в молекулах, когда электроны перемещаются между орбиталями или энергетическими уровнями. Эта спектроскопическая информация может быть использована для идентификации веществ и мониторинга химических реакций.

Тепло — это летучая энергия, которая течет из-за разницы температур. В то время как тепло переносится посредством проводимости или конвекции, излучение может распространяться в вакууме.

Как защититься от инфракрасного излучения?

Чтобы минимизировать потенциальный вред от инфракрасного излучения, были разработаны специальные нормы, безопасные для человека. Сегодня существуют специальные гигиенические нормы, установленные SANPINO для обеспечения благоприятного микроклимата на рабочем месте. Все организации обязаны принимать меры по улучшению защиты людей на рабочем месте.

• Снижение температурного режима и интенсивности излучения.
• Особое внимание уделяется контролю теплового состояния рабочего, чтобы оно не превышало допустимых пределов. Следует также обратить внимание на защиту глаз и кожи людей от инфракрасных волн.
• В целях безопасности используется новое оборудование, а производство максимально автоматизировано.
• Для защиты от опасностей, связанных с инфракрасным излучением, компании обязаны исключить горячие рабочие места в металлургии. Теперь процессы контролируются в безопасной среде — в офисе.
• Расположение оборудования в помещении выбирается таким образом, чтобы минимизировать вредное воздействие теплового излучения.
• Работникам разрешается находиться в нагретой среде только минимальное время. Для их защиты должны быть предусмотрены специальные экраны.
• Если вышеуказанные защитные устройства недоступны, следует использовать охлаждающие экраны или средства увеличения скорости вентиляции.
• Работники должны выполнять свою работу в специальной одежде, которая защищает части тела, наиболее подверженные риску облучения.
• Работникам особо опасных профессий должны быть обеспечены лечебно-профилактические меры — регулярные медицинские осмотры, труд и отдых в здоровой среде.