Інфрачервоні промені – це електромагнітні хвилі в невидимій області електромагнітного спектра, яка починається за видимим червоним світлом і закінчується перед мікрохвильовим випромінюванням між частотами 1012 і 5∙1014 Гц (або знаходиться в діапазоні довжин хвиль 1-750 нм). Назва походить від латинського слова infra, що означає «нижче червоного».
Застосування інфрачервоних променів різноманітно. Вони використовуються для візуалізації об’єктів в темряві або в диму, опалення саун і підігріву крил повітряних суден для захисту від обмерзання, в ближній зв’язку і при проведенні спектроскопічного аналізу органічних сполук.
Відкриття
Інфрачервоні промені були виявлені в 1800 р. британським музикантом і астрономом-любителем німецького походження Вільямом Гершелем. Він з допомогою призми розділив сонячне світло на його складові компоненти і за червоною частиною спектра з допомогою термометра зареєстрував збільшення температури.
ІЧ-випромінювання і тепло
Інфрачервоне випромінювання часто називають тепловим. Слід, однак, зазначити, що воно є лише його наслідком. Тепло – це міра поступальної енергії (енергії руху атомів і молекул речовини. «Температурні» датчики фактично вимірюють не тепло, а тільки відмінності в ІЧ-випромінювання різних об’єктів.
Багато вчителів фізики інфрачервоним променям традиційно приписують всю теплову радіацію Сонця. Але це не зовсім так. З видимим сонячним світлом надходить 50% всього тепла, і електромагнітні хвилі будь-якої частоти при достатньої інтенсивності можуть викликати нагрів. Однак справедливо буде сказати, що при кімнатній температурі об’єкти виділяють тепло в основному в смузі середнього інфрачервоного діапазону.
ІЧ-випромінювання поглинається і випускається обертаннями і вібраціями хімічно пов’язаних атомів або їх груп і, отже, багатьма видами матеріалів. Наприклад, прозора для видимого світла віконне скло ІЧ-радіацію поглинає. Інфрачервоні промені в значній мірі абсорбуються водою і атмосферою. Хоча вони і невидимі для очей, їх можна відчути шкірою.
Земля як джерело інфрачервоного випромінювання
Поверхня нашої планети і хмари поглинають сонячну енергію, більшу частину якої у вигляді ІЧ-радіації віддають в атмосферу. Певні речовини в ній, в основному пар і краплі води, а також метан, вуглекислий газ, оксид азоту, хлорфторвуглеці та гексафторид сірки, поглинають в інфрачервоній області спектра і перевипромінюють у всіх напрямках, у тому числі на Землю. Тому через парникового ефекту земна атмосфера і поверхня набагато тепліше, ніж якби речовини, що поглинають інфрачервоні промені, в повітрі відсутні.
Це випромінювання відіграє важливу роль у теплопередачі і є невід’ємною частиною так званого парникового ефекту. У глобальному масштабі вплив інфрачервоних променів поширюється на радіаційний баланс Землі і зачіпає майже всю біосферну активність. Практично кожен об’єкт на поверхні нашої планети випускає електромагнітне випромінювання в основному в цій частині спектру.
Області ІЧ-діапазону
ІЧ-діапазон часто розділяється на більш вузькі ділянки спектру. Німецький інститут стандартів DIN визначив такі області довжин хвиль інфрачервоних променів:
- ближній (0,75-1,4 мкм), зазвичай використовується в волоконно-оптичного зв’язку;
- короткохвильової (1,4-3 мкм), починаючи з якого значно зростає поглинання ІЧ-випромінювання водою;
- середньохвильової, також званий проміжним (3-8 мкм);
- довгохвильовий (8-15 мкм);
- дальній (15-1000 мкм).
Однак ця схема класифікації не використовується повсюдно. Наприклад, у деяких дослідженнях зазначаються наступні діапазони: ближній (0,75-5 мкм), середній (5-30 мкм) і довгий (30-1000 мкм). Довжини хвиль, що використовуються в телекомунікації, поділяються на окремі смуги з-за обмежень детекторів, підсилювачів та інших джерел.
Загальна система позначень виправдана реакціями людини на інфрачервоні промені. Ближня ІЧ-область найбільш близька до довжини хвилі видимого людським оком. Середнє і дальнє ІЧ-випромінювання поступово віддаляються від видимої частини спектру. Інші визначення випливають різним фізичних механізмам (таким як піки емісії та поглинання води), а самі нові засновані на чутливості використовуваних детекторів. Наприклад, звичайні кремнієві чутливі сенсори в області близько 1050 нм, а арсенід індій-галлія – в діапазоні від 950 нм до 1700 і 2200 нм.
Чітка межа між інфрачервоним і видимим світлом не визначена. Око людини значно менш чутливий до червоного світла, що перевищує довжину хвилі 700 нм, однак інтенсивне світіння (лазера) можна бачити приблизно до 780 нм. Початок ІЧ-діапазону визначається в різних стандартах по-різному – десь між цими значеннями. Зазвичай це 750 нм. Тому видимі інфрачервоні промені можливі в діапазоні 750-780 нм.
Позначення в системах зв’язку
Оптична зв’язок у ближній ІЧ-області технічно підрозділяється на ряд смуг частот. Це пов’язано з різними джерелами світла, поглинаючими і передають матеріалами (волокнами) і детекторами. До них відносяться:
- Про-діапазон 1,260-1,360 нм.
- Е-діапазон 1,360-1,460 нм.
- S-діапазон 1,460-1,530 нм.
- C-діапазон 1,530-1,565 нм.
- L-діапазон 1,565-1,625 нм.
- U-діапазон 1,625-1,675 нм.
Термографія
Термографія, або теплобачення – це тип інфрачервоного зображення об’єктів. Оскільки всі тіла випромінюють в ІЧ-діапазоні, а інтенсивність радіації збільшується з температурою, для її виявлення і отримання знімків можна використовувати спеціалізовані камери з ІЧ-датчиками. У разі дуже гарячих об’єктів в ближній інфрачервоній або видимої області, цей метод називається пирометрией.
Термографія не залежить від освітлення видимим світлом. Отже, можна «бачити» навколишнє середовище навіть у темряві. Зокрема, теплі предмети, у тому числі люди і теплокровні тварини, добре виділяються на більш холодному тлі. Інфрачервона фотографія ландшафту покращує відображення об’єктів залежно від їх тепловіддачі: блакитне небо і вода здаються майже чорними, а зелене листя і шкіра яскраво проявляються.
Історично термографія широко використовувалася військовими і службами безпеки. Крім того, вона знаходить безліч інших застосувань. Наприклад, пожежники використовують її, щоб бачити крізь дим, знаходити людей і локалізувати гарячі точки під час пожежі. Термографія може виявити патологічний ріст тканин і дефекти в електронних системах і схемах з-за їх підвищеного виділення тепла. Електрики, які обслуговують лінії електропередач, можуть виявити перегревающиеся з’єднання і деталі, що сигналізує про порушення їх роботи, і усунути потенційну небезпеку. При порушенні теплоізоляції фахівці-будівельники можуть побачити витоку тепла і підвищити ефективність систем охолодження або обігріву. У деяких автомобілях високого класу тепловізори встановлюються для допомоги водієві. За допомогою термографічних зображень можна контролювати деякі фізіологічні реакції у людей і теплокровних тварин.
Зовнішній вигляд і спосіб роботи сучасної термографічного камери не відрізняються від таких у звичайної відеокамери. Можливість бачити в інфрачервоному спектрі є настільки корисною функцією, що можливість запису зображень часто є опціональною, і модуль запису не завжди доступний.
Інші зображення
В ІЧ-фотографії ближній інфрачервоний діапазон захоплюється з допомогою спеціальних фільтрів. Цифрові фотоапарати, як правило, блокують ІЧ-випромінювання. Проте дешеві камери, у яких немає відповідних фільтрів, здатні «бачити» в ближньому ІЧ-діапазоні. При цьому зазвичай невидимий світ виглядає яскраво-білим. Особливо це помітно під час зйомки поблизу освітлених інфрачервоних об’єктів (наприклад, лампи), де виникають перешкоди роблять знімок бляклим.
Також варто згадати Т-променеву візуалізацію, яка являє собою отримання зображення в далекому терагерцевому діапазоні. Відсутність яскравих джерел робить такі знімки технічно більш складними, ніж більшість інших методів ІЧ-візуалізації.
Світлодіоди і лазери
Штучні джерела інфрачервоного випромінювання включають, крім гарячих об’єктів, світлодіоди і лазери. Перші являють собою невеликі недорогі оптоелектронні пристрої, виготовлені з таких напівпровідникових матеріалів як арсенід галію. Вони використовуються в якості оптоизоляторов і в якості джерел світла в деяких системах зв’язку на основі волоконної оптики. Потужні ІЧ-лазерів з оптичним накачуванням працюють на основі двоокису і окису вуглецю. Вони використовуються для ініціації та зміни хімічних реакцій і розділення ізотопів. Крім того, вони застосовуються в лидарных системах визначення дистанції до об’єкта. Також джерела інфрачервоного випромінювання використовуються в дальномерах автоматичних самофокусирующих камер, охоронної сигналізації та оптичних приладах нічного бачення.
ІК-приймачі
До приладів виявлення ІЧ-випромінювання відносяться термочутливі пристрої, такі як термопарные детектори, болометры (деякі з них прохолоджуються до температур, близьких до абсолютного нуля, щоб знизити перешкоди від самого детектора), фотогальванічні елементи і фотопроводники. Останні виготовляються з напівпровідникових матеріалів (наприклад, кремнію і сульфіду свинцю), електрична провідність яких збільшується при дії інфрачервоних променів.
Обігрів
Інфрачервоне випромінювання використовується для нагрівання – наприклад, для опалення саун і видалення льоду з крил літаків. Крім того, воно все частіше застосовується для плавлення асфальту під час укладання нових доріг або ремонту пошкоджених ділянок. ІЧ-випромінювання може використовуватися під час приготування і підігріву їжі.
Зв’язок
ІК-довжини хвиль застосовуються для передачі даних на невеликі відстані, наприклад, між комп’ютерною периферією і персональними цифровими помічниками. Ці пристрої зазвичай відповідають стандартам IrDA.
ІК-зв’язок зазвичай використовується всередині приміщень в районах з високою щільністю населення. Це найбільш поширений спосіб дистанційного керування пристроями. Властивості інфрачервоних променів не дозволяють їм проникати крізь стіни, і тому вони не взаємодіють з технікою в сусідніх приміщеннях. Крім того, ІЧ-лазери використовуються в якості джерел світла в оптоволоконних системах зв’язку.
Спектроскопія
Інфрачервона радіаційна спектроскопія – це технологія, яка використовується для визначення структур і складів (головним чином) органічних сполук шляхом вивчення пропускання ІЧ-випромінювання через зразки. Вона заснована на властивостях речовин поглинати певні його частоти, які залежать від розтягування та вигину всередині молекул зразка.
Характеристики інфрачервоного поглинання і випромінювання молекул і матеріалів дають важливу інформацію про розмір, форму і хімічного зв’язку молекул, атомів і іонів у твердих тілах. Енергії обертання і вібрації квантуются у всіх системах. ІЧ-випромінювання енергії hν, що випускається чи поглинається даною молекулою або речовиною, є мірою різниці деяких внутрішніх енергетичних станів. Вони, в свою чергу, визначаються атомним вагою і молекулярними зв’язками. З цієї причини інфрачервона спектроскопія є потужним інструментом визначення внутрішньої структури молекул і речовин або, коли така інформація вже відома і табулирована, їх кількості. ІК-методи спектроскопії часто використовуються для визначення складу і, отже, походження і віку археологічних зразків, а також для виявлення підробок творів мистецтва та інших предметів, які при огляді під видимим світлом нагадують оригінали.
Користь і шкода інфрачервоних променів
Довгохвильове інфрачервоне випромінювання застосовується в медицині з метою:
- нормалізації артеріального тиску шляхом стимуляції кровообігу;
- очищення організму від солей важких металів і токсинів;
- поліпшення кровообігу мозку і пам’яті;
- нормалізації гормонального фону;
- підтримання водно-сольового балансу;
- обмеження поширення грибків і мікробів;
- знеболювання;
- зняття запалення;
- зміцнення імунітету.
Разом з тим ІЧ-випромінювання може завдати шкоди при гострих гнійних захворюваннях, кровотечах, гострих запаленнях, хворобах крові, злоякісних пухлинах. Неконтрольоване тривале вплив веде до почервоніння шкіри, опіків, дерматиту, тепловому удару. Короткохвильові ІЧ-промені небезпечні для очей – можливий розвиток світлобоязні, катаракти, порушень зору. Тому для опалення повинні застосовуватися виключно джерела довгохвильового випромінювання.
