Инфракрасное излучение: свойства и применение¶

Инфракрасное излучение (ИК-излучение, инфракрасные лучи) — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны около 0,74 мкм) и микроволновым диапазоном (примерно до 1—2 мм). В шкале электромагнитных волн ИК-диапазон непосредственно примыкает к видимому свету со стороны длинных волн. Название происходит от латинского infra — «ниже» и «красный», то есть «под красным». Основным источником инфракрасного излучения на Земле является тепловое движение атомов и молекул: любое нагретое тело испускает ИК-волны, поэтому этот диапазон часто называют тепловым излучением.

¶История открытия

Существование невидимого излучения за пределами красной границы спектра предсказал в 1800 году английский астроном Уильям Гершель. Проводя опыты с призмой и термометром, он измерял температуру разных участков солнечного спектра и обнаружил, что за красной зоной температура повышается ещё сильнее, чем в самой видимой части. Так было открыто инфракрасное излучение.

В 1842 году французский физик Оноре Физо независимо подтвердил результаты Гершеля. В конце XIX — начале XX века итальянский исследователь Леопольдо Нобиле создал термостолбик и болометр для регистрации ИК-излучения. Значительный вклад в изучение теплового излучения внесли работы российского физика Владимира Михельсона и немецкого учёного Вильгельма Вина, описавшего законы смещения и излучения абсолютно чёрного тела.

¶Классификация диапазона

Инфракрасный диапазон условно делят на поддиапазоны по длине волны:

Международная организация по стандартизации (ISO) и Международная электротехническая комиссия (IEC) закрепили границы ИК-диапазона от 780 нм до 1 мм. Иногда выделяют также «терагерцовую» зону (0,1—1 мм), лежащую на стыке с микроволнами.

¶Физические свойства

Инфракрасные волны подчиняются тем же законам, что и видимый свет: они распространяются прямолинейно, отражаются, преломляются, интерферируют и поляризуются. Однако есть и отличия. Многие материалы, прозрачные для видимого света (например, стекло), плохо пропускают дальнее ИК-излучение. Для его передачи используют специальные материалы — германий, кремний, фторид кальция, а также полиэтилен.

Ключевой закон, описывающий тепловое излучение, — закон Стефана — Больцмана: мощность излучения нагретого тела пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры. Закон смещения Вина определяет, что с ростом температуры максимум излучения смещается в сторону коротких волн. Именно поэтому горячие тела светятся сначала красным, затем белым, а тёплые предметы с температурой около 300 К (комнатная) излучают преимущественно в дальнем ИК-диапазоне.

¶Применение

Инфракрасное излучение находит широкое применение в науке, технике, медицине и быту.

¶Тепловидение и приборы ночного видения

Тепловизоры регистрируют собственное излучение тел и позволяют видеть объекты в полной темноте, сквозь дым и туман. Приборы ночного видения на основе ИК-подсветки используются в военном деле, охоте, спасательных операциях. В России тепловизионные системы выпускаются для авиации, судоходства и промышленной диагностики.

¶Промышленность и наука

ИК-спектрометрия — один из основных методов анализа химического состава веществ. По спектрам поглощения определяют структуру молекул. Инфракрасные датчики применяются в системах автоматики, для дистанционного измерения температуры, контроля качества продукции. В астрономии инфракрасные телескопы позволяют наблюдать холодные объекты — пылевые облака, протозвёзды, далёкие галактики.

¶Медицина

Инфракрасное излучение используется для физиотерапии: прогревание тканей улучшает кровообращение и обмен веществ. Термография помогает выявлять воспалительные процессы и сосудистые нарушения. ИК-лазеры применяются в хирургии и офтальмологии.

¶Связь и быт

Инфракрасные порты долгое время служили для беспроводной передачи данных между устройствами (стандарт IrDA). Пульты дистанционного управления телевизорами и бытовой техникой работают на ИК-светодиодах. Инфракрасные обогреватели применяются для локального отопления помещений и открытых площадок.

¶Инфракрасное излучение и человек

Человеческое тело излучает в дальнем ИК-диапазоне с максимумом около 9—10 мкм. Кожа человека воспринимает инфракрасное излучение как тепло. Умеренное воздействие ИК-лучей полезно, однако длительное облучение высокой интенсивности может вызывать ожоги, перегрев и повреждение глаз (так называемая «катаракта стеклодувов»). Поэтому на производствах, связанных с мощными источниками ИК-излучения (металлургия, стекловарение), применяются защитные очки и экраны.

¶Источники

• Физическая энциклопедия. — М.: Большая Российская энциклопедия.
• Гершель У. Опыты по исследованию тепловых свойств солнечного спектра, 1800.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика.
• Материалы Международной организации по стандартизации (ISO).