Infracrvene zrake: svojstva, primjene, učinci na ljude. Izvori infracrvenog zračenja

10. 3. 2020.

Infracrvene zrake su elektromagnetski valovi u nevidljivom području elektromagnetskog spektra, koji počinje iza vidljive crvene svjetlosti i završava ispred mikrovalnog zračenja između frekvencija 10 12 i 5 10 14 Hz (ili je u rasponu valnih duljina od 1–750 nm). Ime dolazi od latinske riječi infra i znači "ispod crvene".

Upotreba infracrvenih zraka je raznolika. Upotrebljavaju se za vizualizaciju predmeta u mraku ili u dimu, toplinske saune i grijanje zrakoplovnih krila kako bi se zaštitili od zaleđivanja, u bliskom polju, i pri provođenju spektroskopske analize organskih spojeva.

otkriće

Infracrvene zrake otkrio je 1800. britanski glazbenik i astronom amatera njemačkog podrijetla, William Herschel. Koristeći prizmu, podijelio je sunčevu svjetlost na sastavne dijelove i zabilježio povećanje temperature iza crvenog dijela spektra pomoću termometra.

Infracrveno zračenje i toplina

Infracrveno zračenje se često naziva toplinskim. Međutim, treba napomenuti da je to samo njezina posljedica. Toplina je mjera translacijske energije (energije gibanja) atoma i molekula tvari. "Temperaturni" senzori zapravo ne mjere toplinu, već samo razlike u infracrvenom zračenju različitih objekata.

Mnogi učitelji fizike infracrvene zrake tradicionalno pripisuju cijelu toplinu Sunčevo zračenje. Ali to nije posve točno. S vidljivom sunčevom svjetlošću dolazi 50% sve topline, a elektromagnetski valovi bilo koje frekvencije s dovoljnim intenzitetom mogu uzrokovati toplinu. Međutim, može se reći da na sobnoj temperaturi objekti emitiraju toplinu uglavnom u srednjem infracrvenom pojasu.

IR zračenje apsorbira i emitira rotacije i vibracije kemijski vezanih atoma ili njihovih skupina, a time i mnogih vrsta materijala. Primjerice, transparentno za prozirno staklo vidljivog svjetla IR zračenje apsorbira. Infracrvene zrake u velikoj mjeri apsorbiraju voda i atmosfera. Iako su nevidljive očima, mogu ih osjetiti i koža.

Učinak staklenika

Zemlja kao izvor infracrvenog zračenja

Površina našeg planeta i oblaci upijaju sunčevu energiju, od čega se većina u obliku IR zračenja ispušta u atmosferu. Određene tvari u njoj, uglavnom kapljice pare i vode, kao i metan, ugljični dioksid, dušikov oksid, klorofluorougljici i sumporni heksafluorid, apsorbiraju se u infracrvenom području spektra i preraspodjeljuju u svim smjerovima, uključujući i Zemlju. Zato jer učinak staklenika Zemljina atmosfera i površina su mnogo topliji nego da su tvari koje apsorbiraju infracrvene zrake u zraku bile odsutne.

Ovo zračenje igra važnu ulogu u prijenosu topline i sastavni je dio tzv. Efekta staklenika. Globalno, utjecaj infracrvenih zraka proširuje se na ravnotežu zračenja Zemlje i utječe na gotovo sve aktivnosti biosfere. Praktički svaki objekt na površini našeg planeta emitira elektromagnetsko zračenje uglavnom u ovom dijelu spektra.

Infracrvena područja

Infracrveni raspon se često dijeli na uže segmente spektra. Njemački institut za standarde DIN definirao je sljedeće valne duljine infracrvenih zraka:

  • blizu (0,75-1,4 mikrona), obično se koristi u optičkoj komunikaciji;
  • kratkotalasna (1,4-3 μm), počevši od koje se značajno povećava apsorpcija IR zračenja vodom;
  • srednji val, koji se naziva i međuprodukt (3-8 mikrona);
  • longwave (8-15 mikrona);
  • daleko (15-1000 mikrona).
Uređaj za noćni vid

Međutim, ova klasifikacijska shema se ne koristi svugdje. Na primjer, u nekim studijama prikazani su sljedeći rasponi: blizu (0,75-5 mikrona), srednja (5-30 mikrona) i duga (30-1000 mikrona). Valne duljine koje se koriste u telekomunikacijama podijeljene su u zasebne pojaseve zbog ograničenja detektora, pojačala i izvora.

Opći zapis je opravdan ljudskim reakcijama na infracrvene zrake. Blizina infracrvenog područja najbliža je valnoj duljini vidljivoj ljudskom oku. Prosječno i daleko infracrveno zračenje postupno se uklanjaju iz vidljivog dijela spektra. Ostale definicije slijede različite fizičke mehanizme (kao što su pikovi emisije i upijanje vode), a najnoviji se temelje na osjetljivosti korištenih detektora. Na primjer, konvencionalni silicijski senzori su osjetljivi na oko 1050 nm, a indijski galijev arsenid je u rasponu od 950 nm do 1700 i 2200 nm.

Jasna granica između infracrvenog i vidljivog svjetla nije definirana. Ljudsko oko je mnogo manje osjetljivo na crveno svjetlo, koje prelazi valnu duljinu od 700 nm, ali intenzivan sjaj (laser) može se vidjeti do oko 780 nm. Početak IR raspona definiran je u različitim standardima na različite načine - negdje između tih vrijednosti. To je obično 750 nm. Stoga su vidljive infracrvene zrake moguće u rasponu od 750-780 nm.

Oznake u komunikacijskim sustavima

Optička komunikacija u blizini infracrvenog područja je tehnički podijeljena na više frekvencijskih pojaseva. To je zbog drugačijeg izvori svjetla apsorpcijski i prijenosni materijali (vlakna) i detektori. To uključuje:

  • O-raspon 1.260-1.360 nm.
  • E-područje 1,360-1,460 nm.
  • S-područje 1,460-1,530 nm.
  • C-raspon 1,530-1,565 nm.
  • L-područje 1,565-1,625 nm.
  • U-područje 1,625-1,675 nm.
Mjerenje gubitaka topline pomoću infracrvene kamere

termografija

Termografija, ili termička obrada slike, je vrsta infracrvene slike objekata. Budući da sva tijela emitiraju u infracrvenom području, a intenzitet zračenja raste s temperaturom, specijalizirane kamere s IR senzorima mogu se koristiti za otkrivanje i snimanje slika. U slučaju vrlo vrućih objekata u blizini infracrvenog ili vidljivog područja, ova metoda se naziva pirometrija.

Termografija je neovisna od osvjetljenja vidljivog svjetla. Prema tome, moguće je "vidjeti" okolinu čak iu mraku. Naročito se topli predmeti, uključujući ljude i toplokrvne životinje, ističu na hladnijoj pozadini. Infracrvena fotografija pejzaža poboljšava prikaz objekata ovisno o njihovom prijenosu topline: plavo nebo i voda izgledaju gotovo crno, a zeleno lišće i koža se jasno manifestiraju.

Povijesno gledano, termografija je široko korištena od strane vojske i sigurnosnih službi. Osim toga, pronalazi mnoge druge namjene. Na primjer, vatrogasci ga koriste kako bi vidjeli kroz dim, pronašli ljude i pronašli vruće točke tijekom požara. Termografija može otkriti abnormalni rast tkiva i defekte u elektroničkim sustavima i krugovima zbog povećane proizvodnje topline. Električari koji opslužuju dalekovode mogu otkriti pregrijavanje spojeva i dijelova, signalizirajući kvar i eliminirati potencijalnu opasnost. U slučaju narušavanja toplinske izolacije, građevinski stručnjaci mogu vidjeti propuštanje topline i povećati učinkovitost sustava za hlađenje ili grijanje. U nekim high-end automobilima, termalni fotoaparati su instalirani kako bi pomogli vozaču. Pomoću termografskih slika moguće je kontrolirati neke fiziološke reakcije kod ljudi i toplokrvnih životinja.

Izgled i način rada moderne termografske kamere ne razlikuju se od izgleda konvencionalne video kamere. Sposobnost da se vidi u infracrvenom spektru je tako korisna značajka da je sposobnost snimanja slika često opcionalna, a modul za snimanje nije uvijek dostupan.

Daljinski upravljač

Ostale slike

U IR fotografiji, infracrveni spektar snimljen je pomoću posebnih filtara. Digitalni fotoaparati, u pravilu, blokiraju infracrveno zračenje. Međutim, jeftini fotoaparati koji nemaju odgovarajuće filtre mogu "vidjeti" u blizini infracrvenog spektra. U ovom slučaju, obično nevidljivo svjetlo izgleda svijetlo bijelo. To je osobito vidljivo tijekom snimanja u blizini osvijetljenih infracrvenih objekata (na primjer, svjetiljki), gdje buka koja se pojavljuje čini sliku izblijedjelom.

Također vrijedi spomenuti T-beam snimanje, koje je snimanje slike u dalekom terahertz rasponu. Nedostatak svijetlih izvora čini takve slike tehnički složenijim od većine drugih IR metoda.

LED i laseri

Umjetni izvori infracrvenog zračenja, osim vrućih predmeta, uključuju i LED i lasere. Prvi su mali, jeftini optoelektronički uređaji napravljeni od poluvodičkih materijala kao što je galijev arzenid. Koriste se kao optoizolatori i kao izvori svjetlosti u nekim komunikacijskim sustavima temeljenim na optičkim vlaknima. Visokoučinkoviti optički laseri s optičkim pumpama rade na osnovi dioksida i ugljičnog monoksida. Koriste se za pokretanje i mijenjanje kemijskih reakcija i odvajanje izotopa. Osim toga, oni se koriste u lidarnim sustavima za određivanje udaljenosti do objekta. Također, izvori infracrvenog zračenja koriste se u mjernim aparatima za automatske autofokusne kamere, sigurnosne alarme i optičke uređaje za noćni vid.

IR laserski digitalni termometar

IR prijemnici

Uređaji za detekciju infracrvenih zraka uključuju uređaje osjetljive na temperaturu, kao što su detektori termoelementa, bolometri (neki od njih su ohlađeni na temperature blizu apsolutna nula za smanjenje smetnji od samog detektora), fotonaponske ćelije i fotokonduktori. Potonji su izrađeni od poluvodičkih materijala (na primjer, silicija i olovnog sulfida), čija se električna vodljivost povećava kada je izložena infracrvenim zrakama.

grijanje

Infracrveno zračenje koristi se za grijanje - na primjer, za zagrijavanje sauna i uklanjanje leda iz krila zrakoplova. Osim toga, sve se češće koristi za topljenje asfalta tijekom postavljanja novih cesta ili popravljanja oštećenih područja. IR zračenje može se koristiti u pripremi i zagrijavanju hrane.

veza

IR valne duljine koriste se za prijenos podataka na kratkim udaljenostima, na primjer, između računalnih periferija i osobnih digitalnih pomoćnika. Ovi uređaji obično su u skladu s IrDA standardima.

Infracrvena komunikacija se obično koristi u zatvorenom prostoru u područjima visoke gustoće naseljenosti. To je najčešći način za daljinsko upravljanje uređajima. Svojstva infracrvenih zraka ne dopuštaju im prodiranje u zidove, te stoga ne djeluju s opremom u susjednim sobama. Osim toga, IR laseri se koriste kao izvori svjetlosti u optičkim komunikacijskim sustavima.

Infracrveni grijač

spektroskopija

Infracrvena spektroskopija zračenja je tehnologija koja se koristi za određivanje struktura i sastava (uglavnom) organskih spojeva proučavanjem prijenosa IR zračenja kroz uzorke. Temelji se na svojstvima tvari koje apsorbiraju određene frekvencije, koje ovise o istezanju i savijanju unutar molekula uzorka.

Karakteristike infracrvene apsorpcije i emisije molekula i materijala pružaju važne informacije o veličini, obliku i kemijskom povezivanju molekula, atoma i iona u krutim tvarima. Energije rotacije i vibracije kvantiziraju se u svim sustavima. Infracrveno zračenje energije hν koju emitira ili apsorbira određena molekula ili supstanca je mjera razlike između pojedinih unutarnjih energetskih stanja. Oni su, pak, određeni atomskom težinom i molekularnim vezama. Zbog toga je infracrvena spektroskopija moćan alat za određivanje unutarnje strukture molekula i tvari ili, kada su te informacije već poznate i tabelirane, njihov broj. Metode IR spektroskopije često se koriste za određivanje sastava i, dakle, porijekla i starosti arheoloških uzoraka, kao i za otkrivanje krivotvorina umjetničkih djela i drugih objekata koji se, kada se promatraju pod vidljivim svjetlom, podsjećaju na izvornike.

IR svjetlosna terapija

Prednosti i štetnost infracrvenih zraka

Dugotrajno infracrveno zračenje koristi se u medicini za:

  • normalizacija krvnog tlaka poticanjem cirkulacije krvi;
  • čišćenje tijela teškim metalima i toksinima;
  • poboljšavaju cirkulaciju i pamćenje mozga;
  • normalizacija hormonske pozadine;
  • održava ravnotežu između vode i soli;
  • ograničenja širenja gljiva i klica;
  • ublažavanje boli;
  • ublažavanje upale;
  • poboljšanje imuniteta.

U isto vrijeme, infracrveno zračenje može biti štetno kod akutnih gnojnih bolesti, krvarenja, akutne upale, bolesti krvi i malignih tumora. Nekontrolirano produljeno izlaganje dovodi do crvenila kože, opeklina, dermatitisa, toplinskog udara. Kratkotalasni infracrveni zraci su opasni za oči - mogu se razviti fotofobija, katarakte, oštećenje vida. Stoga se za grijanje trebaju koristiti samo izvori dugovječnog zračenja.