Инфракрасное излучение. Отражение и поглощение световых лучей

Обновлено: 28.11.2022

Инфракрасным (ИК) называют электромагнитное излучение, занимающее область между красной границей видимого света (760 нм) и коротковолновым радиоизлучением (l = 1-2 мм). ИК излучение обычно условно разделяют на ближнюю (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и дальнюю (50-2000 мкм) области. В соответствии с законом Вина, чем меньше температура нагретого тела, тем на большую длину волны приходится максимум его излучения и тем большая часть спектра находится в инфракрасной области. Так, в спектре излучения Солнца (температура его поверхности -6000 К) на долю ИК излучения приходится около 50% общей энергии, а в спектре излучения ламп накаливания (температура вольфрамовой спирали 2800 К) -около 90%. При еще меньших температурах видимое излучение вообще отсутствует, и все •свечение приходится на ИК область. Например, ИК лучи испускают горячий утюг, тела человека и животных и т. п. Пользуясь законом Вина, можно вычислить температуры, при которых максимум излучения приходится на ИК область: Т = 0,289·10 -2 м·КêlМ - постоянная Вина. Подставляя сюда значения граничных волн ИК спектра, т.е. l = 760 нм и l = 2 мм, получаем: Т1 = 3800 К и Т2 = 1,45 К.

Для регистрации и измерения ИК излучения используют приемники двух типов: тепловые и фотоэлектрические, а также специальные фотоэмульсии. В различных областях науки и народного хозяйства широко применяют инфракрасную фотографию.

В зависимости от типа излучателя ИК спектр может быть сплошным или линейчатым. Непрерывный спектр излучают нагретые твердые тела, а линейчатые образуются возбужденными атомами газа. Инфракрасную спектроскопию используют для исследования биологических объектов, в частности живых клеток. Поглощение и отражение ИК излучения различными веществами иные, чем видимого излучения. Вода, прозрачная для видимого света, хорошо поглощает инфракрасные лучи, особенно если в ней растворить немного медного купороса. Поэтому, когда необходимо предупредить нагрев какого-нибудь освещаемого предмета, между ним и источником света помещают кювету с водой. Напротив, если нужно поглотить видимый свет, а инфракрасный пропустить, то берут черные растворы йода в сероуглероде. Обычное стекло не пропускает ИК лучи с длиной волны более 1,5-2 мкм. Непрозрачные для видимого света полупроводники прозрачны для ИК лучей. Так, кремний прозрачен для длин волн более 1 мкм. Излучение с длинами волн от 100 мкм до 1 мм хорошо проходит через полиэтилен, полистирол, парафин, и из этих веществ изготавливают приборы для инфракрасной оптики - призмы, линзы и пр.

Значительное поглощение ИК излучения водой и ее парами имеет важное значение для теплового баланса нашей планеты. Благодаря сильному поглощению водяными парами земной атмосферы лишь небольшая часть теплового излучения Земли уходит в космическое пространство, и поэтому атмосфера представляет собой своеобразную теплоизолирующую оболочку, препятствующую охлаждению Земли за счет излучения.

Аналогичное явление лежит в основе парникового эффекта. Внутренний объем парника и грунт нагреваются светом, проникающим через стеклянные рамы, специальными нагревателями, а также теплом, выделяющимся в результате происходящих в почве биопроцессов. Нагретый грунт испускает ИК излучение, которое поглощается стеклом, превращается опять в теплоту и возвращается в парник. Таким образом, стеклянные рамы предотвращают потери тепла с ИК излучением. В последнее время на смену стеклу приходят полиамидные пленки, которые в отличие от стекла пропускают внутрь парника не только видимый свет, но и ультрафиолетовое излучение, поглощая вместе с тем ИК лучи. Легкие полиамидные пленки удобнее в применении, чем стекло, и парниковый эффект проявляется сильнее.

Большое применение нашли инфракрасные лучи для промышленной сушки разнообразных изделий: свежепокрашенных автомобилей, мебели, пороха, а также фруктов, овощей, влажного зерна. При сушке предметов, пропитанных влагой, ИК лучи поглощаются водой и мало поглощаются самими предметами. Вода испаряется, а предметы почти не нагреваются, а следовательно, не испытывают механических деформаций или химических превращений.

Биологическое действие ИК излучения в основном определяется производимым им нагревом тканей. Повышение температуры активизирует деятельность клеток, ускоряет их размножение и обменные процессы.

Растения в процессе эволюции выработали способность поглощать лишь необходимые для фотосинтеза участки видимого спектра, и если они живут в условиях солнечного освещения, то не нуждаются в тепловом излучении, которое приводило бы к избыточному нагреву. Поэтому такие растения обладают способностью отражать ИК часть спектра. Живущие в темноте мхи и водоросли, наоборот, поглощают ИК лучи. Мало того, листья, растущие на свету, отражают гораздо больше ИК излучения, чем листья того же растения, находящиеся в затененных местах. Таким образом, степенью поглощения и отражения ИК излучения растения регулируют в определенных пределах свою температуру.

Первичное действие ИК излучения начинается с эффектов, происходящих в коже. Волосяной покров, роговой слой кожи, весь эпидермис прозрачны для ИК излучения, и оно поглощается преимущественно в дерме, но некоторая его часть (25-30%) проникает на глубину до 2,5-4 см, достигай подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Температура тех слоев кожи, в которых излучение поглощается, повышается, что приводит к раздражению содержащихся в коже рецепторов. В последних возникают потенциалы действия, поступающие в центральную нервную систему, которая управляет механизмом терморегуляции. В результате в месте облучения количество циркулирующей крови возрастает, увеличивается снабжение ткани кислородом, что и ведет к активизации ее биологических функций. Поэтому действие облучения не ограничивается только тем местом, которое подвергалось облучению. Длинноволновое излучение поглощается в верхних слоях тканей и вызывает в них гиперемию, тогда как более коротковолновое излучение проникает в ткани на глубину до 6-8 см, вызывая прогревание внутренних органов. ИК облучение широко применяют в медицинской физиотерапии. Его используют при лечении заболеваний кожи, лимфатической системы, суставов (артриты, ревматизм), плевритов, маститов и пр. ИК излучение, сильно поглощаясь водой, усиливает испарение и тем самым оказывает высушивающее действие на влажные поверхности. Это свойство находит применение при лечении мокнущих экзем, обмораживании и т. п. Преимущество ИК терапии перед другими тепловыми методами лечения в более глубоком прогревании. Кроме того, отсутствует контакт между источником тепла и органом, чем устраняется раздражение тканей и их загрязнение, что особенно важно при открытых повреждениях. Возможно также ИК облучение через тонкие повязки, так как оно проникает через обычные перевязочные материалы.

В промышленных производственных комплексах используют выпускаемые отечественной промышленностью лампы ИКЗК, ИКЗС и др., дающие излучение с длиной волны 1 мкм. В последние годы стали применять галогенные лампы КГД, КГТ, КГО и некоторые другие, обладающие более стабильным световым потоком и повышенной светоотдачей. Используют также «темные» источники длинноволнового ИК излучения, представляющие собой металлические трубки, внутри которых находится нагреваемая током проволока, запрессованная в огнеупорное вещество. Такие тепловые электронагреватели (ТЭН) при температуре поверхности около 450 К создают излучение с длинами волн lМ = 4-5 мкм. Обычная тепловая обработка молока при пастеризации несколько влияет на его химический состав, снижая его вкусовую и биологическую ценность, требует громоздкого оборудования, значительных затрат и времени. Обработка молока от ИК источников быстро и практически полностью уничтожает в молоке микрофлору с очень незначительным изменением его вкусовых и пищевых качеств.

Следует помнить, что ИК излучение оказывает вредное действие на глаза, поскольку сильно поглощается хрусталиком и стекловидным телом. Оно может приводить к катаракте, отслоению сетчатки и другим заболеваниям глаз, которые наблюдают у пекарей, литейщиков, кузнецов и работников других профессий, имеющих дело с раскаленными телами, испускающими значительное ИК излучение. Поэтому при работе с такими источниками необходимо надевать защитные очки.

Исключительно важное значение приобретает в последнее время термография, основанная на регистрации с помощью электронно-оптических преобразователей ИК излучения, испускаемого тканями человека и животных. Поскольку ИК излучение поглощается тканями значительно слабее, чем видимый свет, то оно несет с собой информацию о находящихся под кожей тканях и позволяет видеть детали, неразличимые в видимом свете. Хорошо видны на ИК снимках или на телеэкранах находящиеся близко под кожей вены, так как температура крови немного выше температуры окружающих сосуды тканей, и они создают более интенсивное ИК излучение. Снимки вен позволяют обнаруживать места закупорки сосудов, поскольку очаги воспаления имеют температуру более высокую, чем окружающие ткани. Современные методы регистрации ИК излучения позволяют обнаруживать места локализации тромбов или злокачественных опухолей, даже если их температура превышает окружающую температуру па сотые доли градуса. Вывод информации на ЭВМ дает возможность за считанные секунды получить своеобразную термограмму - силуэт исследуемого участка органа, «нарисованный» цифрами, соответствующими температурам внутри ткани. Информация при этом получается не от 5-10 точек ткани, как при обычной термографии, а от нескольких тысяч точек, что резко повышает достоверность диагностики.

Своеобразными термолокаторами, регистрирующими ИК излучение, обладают змеи. Уже давно биологи нашли у гремучей змеи между носом и глазами два конических углубления, покрытых тонкой мембраной, в которой находится большое количество нервных окончаний. Долгое время роль этих мембран оставалась загадочной, и только в 1937 г. выяснилось, что это не что иное, как «тепловые глаза» - термолокаторы, способные улавливать ИК излучение и определять по его направлению местонахождение нагретого объекта. Чувствительность термолокатора змеи очень велика. Она может обнаружить в полной темноте мышь, находящуюся от нее на расстоянии 20 см, за счет того, что температура воздуха, нагретого телом мыши, на этом расстоянии больше температуры окружающего воздуха на 0,01° С. Точно так же змея обнаруживает лягушек, понижающих температуру окружающего воздуха за счет испарения влаги с их кожи на еще меньшую величину. Чувствительность «теплового глаза» змеи составляет примерно миллионные доли ватта. Изучение этого удивительного органа позволило бионикам создать термолокаторы, обладающие почти такой же чувствительностью, но значительно превышающие термолокаторы змей по габаритам.

Отражение, преломление и поглощение светового потока

Световой поток, попадающий в глаза в результате зрительной деятельности, создается частично от первичных источников света и в большей степени от освещенных ими поверхностей которые становятся вторичными источниками света. В обоих случаях, имеет место перераспределение светового потока генерируемого первичными источниками света посредством отражения, преломления и поглощения, поверхностями на которые этот поток направлен.

Отражение света - это возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления "обратно" в первую среду.

Преломление света - явление, заключающееся в изменении направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую, отличающуюся показателем преломления света.

Поглощение света - это уменьшение интенсивности света, проходящего через среду, вследствие взаимодействия его с частицами среды. Сопровождается нагреванием вещества, ионизацией или возбуждением атомов или молекул, фотохимическими процессами и т. д. Поглощенная веществом энергия может быть полностью или частично переизлучена веществом с другой частотой.

Перераспределение светового потока может быть продиктовано необходимостью управления световым потоком на определенных участках пространства (для освещения предметов которые необходимо различать) или необходимостью уменьшения яркости зрительного поля - в случае световых приборов - или имеет место благодаря оптическим свойствам освещаемых поверхностей.

Световой поток Ф, луча падающий на поверхность любого физического предмета (падающий световой поток) делится на две или три составные части:

    одна часть всегда возвращается отражением, образуя отражающий поток Ф ρ ;

одна часть всегда поглощается (поглощаемый поток Ф α , приведя к возрастанию температуры тела;

в некоторых случаях, часть светового потока возвращается преломлением (преломляющий поток Ф τ ).

Введем понятие коэффициента отражения р, коэффициента поглощения α и коэффициента преломления т:

Между соответствующими коэффициентами, которые характеризуют оптические свойства освещаемых поверхностей, имеет место равенство:

Преломление света сопровождается явлением отражения. Под каким видом осуществляется отражение и преломление светового потока зависит от характеристик поверхности или тела и в большой степени от структуры (обработки) поверхности или тела.

Зеркальное отражение/преломление характеризуется равенством углов падения и отражения/преломлепия и телесными углами, в которых попадают падающий и отраженный/преломленный световой поток. Параллельный пучок света, который падает на поверхность, отражается, преломляется также под форму параллельного пучка света.

Зеркальное отражение имеет место, например, при металлическом напылении (Al, Ag) поверхности или металлическими полированными поверхностями (Al-полированный и химически оксидированный), а зеркальное преломление - обычным стеклом или определенными сортами органического стекла.

Сложное отражение/преломления характеризуется тем, что световой поток частично отражается/преломляется согласно законам зеркального отражения/преломления и частично согласно законам диффузного отражения/преломления. Сложное (совместное) отражение реализуется керамической эмалью, а сложное (совместное) преломление - матовым стеклом и определенными сортами органического стекла.

Полностью диффузное отражение/преломление есть отражение/преломление, в котором отражающая/преломляющая поверхность имеет одинаковую яркость во все направления, независимо от направления падающего светового пучка. Свойствами полностью диффузной поверхности обладают поверхности покрытые белой краской, а также материалы с внутренней неоднородной структурой, в которых имеет место множество отражений и преломлений внутри объема тела (молочное стекло).

Рассеянное отражение/преломление характеризуется возрастанием телесного угла отраженного/преломленного светового потока по сравнению с падающим телесным углом. Параллельный пучок света, падающий на поверхность, рассеивается в пространстве преимущественно вокруг одного направления.

Подобно фотометрической кривой источника света, элементу отражающей или преломляющей поверхности ассоциируется значение силы света или яркости. Примером диффузного отражения могут составить металлические матовые поверхности, а диффузное преломление можно получить, используя матовое стекло или органические полимеры (полиметилметакрилат).

Одной из характеристик ос вещаемой поверхности является коэффициент яркости β , определенный для того же значения освещенности, как отношение между яркостью в заданном направлении одной отражающей/пропускающей поверхности и яркости Ldif , которую имел бы в случае полного диффузного отражения/пропускания, идентичной поверхности, имея коэффициент отражения равный единице:

Значение коэффициентов ρ и τ для некоторых материалов:

Материал Коэффициент отражения ρ Коэффициент пропускания τ
С диффузным отражением света
Углекислый магний 0,92 -
Окись магния 0,91 -
Мел, гипс 0,85 -
Фарфоровая эмаль (белая) 0,8 -
Белая бумага (ватман) 0,76 -
Белая клеевая краска (побелка) 0,65 -
Необработанная поверхность черных металлов 0,15 -
Уголь 0,08 -
Нитроэмаль белая 0,7 -
С диффузным пропусканием света
Стекло глушенное (толщина 2,3 мм) 0,5 0,35
Стекло глушенное накладное (2,3 мм) 0,30 0,55
Органическое стекло белое (2-3 мм) 0,35 0,5
Стекло опаловое (2,3 мм) 0,2 0,7
Светотехническая бумага желтоватого цвета с рисунком 0,35 0,4
С направленно рассеивающим отражением света
Алюминий травленный 0,62 -
Полуматовый альзакированный алюминий 0,72 -
Алюминиевая краска на нитролаке 0,55 -
Неполированный никель 0,5 -
Неполированная латунь 0,45 --
С направленно рассеивающим пропусканием света
Стекло с химической матировкой (2,3 мм) 0,08 0,8
Стекло с механической матировкой (2 мм) 0,14 0,7
Пергамент тонкий (белый) 0,4 0,4
Шелк белый 0,3 0,45
С направленным отражением (зеркальное)
Серебро свежеполированное 0,92 -
Стекло посеребренное (зеркало) 0,85 -
Альзакированный алюминий (полированный) 0,8 -
Хром полированный 0,62 -
Сталь полированная 0,5 -
Латунь полированная 0,6 -
Белая жесть 0,55 -
С направленным пропусканием света
Стекло прозрачное (2 мм) 0,08 0,89
Органическое стекло (2 мм) 0,10 0,85

Знание коэффициента отражения недостаточно для описания отражающих свойств материала. Учитывая, что множество материалов обладают селективными отражающими свойствами, которые отражают главным образом определенные длины волн спектра падающего светового потока в соответствии с которыми отражающая поверхность воспринимается как имеющая определенный цвет.

Отражающие характеристики любого материала приводятся в виде кривых отражения (коэффициентом отражения, в процентах, в зависимости от длины волны) и коэффициент отражения указывается для определенного состава падающего светового потока.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Инфракрасное излучение и его применение

Электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 0,74 мкм до 2 мм именуется в физике инфракрасным излучением или инфракрасными лучами, сокращенно «ИК». Оно занимает ту часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым оптическим излучением (берущим начало в районе красного цвета) и коротковолновым радиодиапазоном.

Хотя практически инфракрасное излучение не воспринимается человеческим глазом как свет и не обладает каким-то определенным цветом, оно относится, тем не менее, к оптическому излучению, и находит самое широкое применение в современной технике.

Инфракрасные волны

Инфракрасные волны, что характерно, нагревают поверхности тел, поэтому инфракрасное излучение еще часто именуют тепловым излучением. Всю инфракрасную область принято условно делить на три части:

далекая ИК область — с длинами волн от 50 до 2000 мкм;

средняя ИК область — с длинами волн от 2,5 до 50 мкм;

ближняя ИК область — от 0,74 до 2,5 мкм.

ИК-излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, а позже, в 1802 году, независимо от него, английским же ученым Уильямом Волластоном.

Спектры в ИК-диапазоне

Атомные спектры, получаемые в виде инфракрасных лучей, — линейчатые; спектры конденсированных сред — непрерывные; молекулярные спектры — полосатые. Суть в том, что для инфракрасных лучей, по сравнению с видимой и ультрафиолетовой областями электромагнитного спектра, оптические свойства веществ, такие как коэффициент отражения, пропускания, преломления, - сильно отличаются.

Многие из веществ хотя и пропускают видимый свет, при этом оказываются непрозрачными для волн части инфракрасного диапазона.

Так, например, слой воды в несколько сантиметров толщиной - непрозрачен для инфракрасной волны с длиной более 1 мкм, и в некоторых условиях может использоваться в качестве теплозащитного фильтра. А слои германия или кремния не пропускают видимый свет, зато хорошо пропускают инфракрасные лучи определенной длины волны. ИК-лучи дальней области черная бумага пропускает легко, и может служить фильтром для их выделения.

Большинство металлов, такие как алюминий, золото, серебро и медь, - отражают инфракрасное излучение с большей длиной волны, например при длине волны ИК-лучей в 10 мкм, отражение от металлов доходит до 98%. Твердые и жидкие вещества неметаллической природы отражают лишь часть диапазона ИК, в зависимости от химического состава конкретного вещества. В силу данных особенностей взаимодействия ИК-лучей с различными средами, они успешно используются во многих исследованиях.

Инфракрасное излучение

Рассеивание ИК-излучения

Инфракрасные волны исходящие от Солнца, проходя через атмосферу Земли, частично рассеиваются и ослабляются на молекулах и атомах воздуха. Кислород и азот атмосферы частично ослабляют ИК-лучи, рассеивая их, но не поглощая полностью, как поглощают часть лучей видимого спектра.

Содержащиеся в атмосфере вода, углекислый газ и озон частично поглощают инфракрасные лучи, причем более всего поглощает их вода, так как ее спектры ИК-поглощения приходятся на всю область инфракрасного спектра, а спектры поглощения углекислого газа — попадают лишь на среднюю область.

Слои атмосферы вблизи поверхности Земли пропускают совсем небольшую долю ИК-излучения, так как дым, пыль и вода дополнительно ослабляют его, рассеивая энергию на своих частицах. Чем меньше частицы (дыма, пыли, воды и т.д.) — тем меньше рассеивание ИК и больше рассеивание волн видимого спектра. Данный эффект применяется в инфракрасной фотографии.

Источники ИК-излучения

Спектр Солнца

Для нас, живущих на Земле, очень мощным естественным источником инфракрасного излучения является Солнце, ведь половина его электромагнитного спектра приходится именно на инфракрасный диапазон. У ламп накаливания ИК-спектр составляет до 80% энергии излучения.

Также к искусственным источникам ИК-излучения относятся: электрическая дуга, газоразрядные лампы, и, конечно, бытовые обогреватели на ТЭНах. В науке для получения ИК-волн применяют штифт Нернста, вольфрамовые нити, а также ртутные лампы высокого давления и даже специальные ИК-лазеры (неодимовое стекло дает длину волны 1,06 мкм, а гелий-неоновый лазер — 1,15 и 3,39 мкм, углекислый газ — 10,6 мкм).

Инфракрасный нагреватель

Приемники ИК-излучения

Принцип работы приемников ИК-волн основывается на преобразовании энергии падающего излучения в другие виды энергии, доступные для измерения и использования. Поглощаемое в приемнике, ИК-излучение разогревает термочувствительный элемент, и повышение температуры регистрируется.

Фотоэлектрические приемники ИК-лучей генерируют электрическое напряжение и ток, реагируя на определенную узкую часть ИК-спектра, для работы с которой они предназначены, то есть фотоэлектрические ИК-приемники селективны. Для ИК-волн из диапазона до 1,2 мкм фоторегистрацию осуществляют при помощи специальных фотоэмульсий.

Очень широкое применение находит инфракрасное излучение в науке и технике, особенно для решения практических исследовательских задач. Исследуются спектры поглощения и испускания молекул и твердых тел, которые как раз приходятся на инфракрасную область.

Данный подход к исследованиям называется инфракрасной спектроскопией, позволяющей решать структурные задачи, проводя количественный и качественный спектральный анализ. На далекую ИК-область приходятся излучения, вызываемые переходами между подуровнями атомов. Благодаря ИК-спектрам можно изучать структуры электронных оболочек атомов.

И это не говоря о фотографии, когда один и тот же объект, будучи сфотографирован сначала в видимом, а затем — в инфракрасном диапазоне, будет выглядеть по разному, так как из-за различия в коэффициентах пропускания, рассеяния и отражения для разных областей электромагнитного спектра, некоторые элементы и детали в необычном режиме фотосъемки могут вообще отсутствовать: на обычной фотографии кое-что будет отсутствовать, а на ИК-фото — станет видимым.

Инфракрасный ИК-приемник

Нельзя недооценить промышленное и бытовое использование инфракрасного излучения. Его применяют для сушки и нагрева различных изделий и материалов на производствах. В домах — обогревают помещения.

Электронно-оптические преобразователи используют фотокатоды, чувствительные в инфракрасной области электромагнитного спектра, что позволяет видеть то, что невидимо невооруженным глазом.

Приборы ночного видения позволяют видеть в темноте благодаря облучению объектов ИК-лучами, ИК-бинокли — вести наблюдение ночью, ИК-прицелы — вести прицеливание в полной темноте и т. д. Кстати, с помощью инфракрасного излучения можно воспроизвести точный эталон метра.

Приемники ИК-волн повышенной чувствительности позволяют вести пеленгацию различных объектов по их тепловому излучению, так например работают системы самонаведения ракет, которые дополнительно генерируют собственное ИК-излучение.

Дальномеры и локаторы на основе ИК-лучей дают возможность наблюдать некоторые предметы в темноте, и измерять расстояние до них с высокой точностью. ИК-лазеры используются в научных исследованиях, для зондирования атмосферы, для осуществления космической связи и т.д.

Учебно-исследовательская работа "Свойства инфракрасного излучения"


Инфракрасное излучение относится к электромагнитным волнам. Оно представляет собой излучение длиной волны от 770нм до 1 мм и, следовательно, наряду с другими волнами, оно должно обладать свойствами, присущими всем электромагнитным волнам.

В своей работе ученица поставила цель:

1) обнаружить свойства инфракрасного излучения, общие для всех электромагнитных волн: отражение, преломление, поглощение, дифракцию;

2) изучить особенности, присущие именно инфракрасному излучению.

ВложениеРазмер
infrakrasnoe_izluchenie.doc 88.5 КБ

Предварительный просмотр:

Ханты - Мансийский автономный округ - Югра

Свойства инфракрасного излучения

Выполнила: Барбарова Анастасия

Ученица 9 "В" класса

Руководитель: Акулова Ирина

1. Введение стр.3

1.1. Инфракрасное излучение - это… стр.3

1.2. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении стр.3

1.3. Источники инфракрасного излучения стр.4

1.4. История открытия инфракрасного излучения стр.5

1.5. Применение стр.5

1.6. Цель работы стр.6

2. Основная часть стр.7

2.1. Методика проведения эксперимента стр.7

2.2. Свойство пульта дистанционного управления (ПДУ) стр.7

2.3. Наблюдение инфракрасного излучения от нагретых тел стр.7

2.4.Отражение ИК - волн от плоского зеркала стр.8

2.5. Наблюдение преломления ИК - волн стр.8

2.6. Наблюдение дисперсии ИК - излучениям стр.8

2.7. Наблюдение дифракции. Определение длины волны

ИК - излучения стр.9

2.8. Наблюдение поляризации стр.9

2.9. Наблюдение жидкостей различных цветов в ИК лучах стр.9

3. Заключение, выводы стр.10

4. Список литературы. стр.11

5. Приложения. стр.12

1.1. Инфракрасное излучение - это…

Любое раскаленное тело излучает свет, но специальные исследования показывают, что от раскаленного тела наряду с видимым световым излучением исходят невидимые излучения. Такие излучения называются инфракрасными. Инфракрасное излучение - это одна из составляющих частей солнечного света, и из теории инфракрасного излучения следует, что любое нагретое до определенной температуры тело само становиться излучателем инфракрасных волн. С инфракрасными волнами мы встречаемся каждый день, они проникают во все уголки нашего быта. Солнце, радиаторы, русская печь, нагретые на солнце камни, человеческое тело, даже ледяная вода и айсберги - все это излучатели инфракрасных волн. Но чем выше температура тела, тем в большей мере от него исходит инфракрасное излучение, и тем большее тепловое действие оно оказывает на другие тела. Это излучение не имеет ничего общего с рентгеновским или ультрафиолетовым излучением. Оно абсолютно безопасно для человека. Кроме того, обогрев инфракрасными лучами - это древнейший вид обогрева, он же - самый универсальный.

Солнечные лучи проходят миллионы километров через открытый холодный космос, и все же они прогревают поверхность нашей планеты до оптимальных для нас температур (изначально прогревается именно поверхность, и уже от нагретой земли - воздух).

Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) — белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

1.2.Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр). Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для λ > 1,8 мкм , кремний для λ > 1,0 мкм ). Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения, в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое.

1.3.Источники инфракрасного излучения

Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение. При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только инфракрасное излучение. Мощным источником инфракрасного излучения является угольная электрическая дуга с температурой ~ 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники инфракрасного излучения: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых оптических квантовых генераторов — лазеров также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм , лазера на смеси неона и гелия — 1,15 мкм и 3,39 мкм , лазера на углекислом газе — 10,6 мкм , полупроводникового лазера на InSb — 5 мкм и др.

Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения. В первых, поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки — инфрапластинки — также чувствительны к инфракрасному излучению (до λ = 1,2 мкм ), и потому в инфракрасном излучении мо гут быть получены фотографии.

1.4 История открытия инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение впервые было обнаружено в 1870 году ученым Уильямом Гершелем за красной полосой спектра.

Гершель на экране получил спектр солнечного света и с помощью очень чувствительного термометра исследовал различные его части. Он обнаружил, что в фиолетовой части спектра термометр нагревался на 2°С выше окружающей среды, в зеленой - на 3,5°С и в красной - на 7°С. Но когда он передвинул термометр за красную часть спектра, то термометр показал температуру на 9°С выше, чем в фиолетовой части спектра.

Этот опыт Гершель проводил в воздухе, поэтому можно было допустить, что термометр за красной частью спектра нагревался не под действием инфракрасного излучения, а от воздуха, нагретого различными частями солнечного спектра. Тогда опыт Гершеля проделали в безвоздушном пространстве, и оказалось, что в вакууме тепловое действие инфракрасного излучения на термометр в три раза больше, чем в воздухе. Таким образом, было установлено, что невидимое инфракрасное излучение в пространстве распространяется как свет.

Внедрение инфракрасных излучений в нашу жизнь началось в двадцать первом веке. Сейчас оно широко используется в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива. В промышленности инфракрасное излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий. На основе фотокатодов, чувствительных к инфракрасному излучению (для λ мкм ), созданы специальные приборы — электронно-оптические преобразователи, в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов инфракрасным излучением от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Создание высокочувствительных приёмников инфракрасного излучения позволило построить специальные приборы — теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому инфракрасному излучению. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник инфракрасного излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают его от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное ИК - излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.

Также, для наземной и космической связи используются оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области.

Инфракрасное излучение относится к электромагнитным волнам. Оно представляет собой излучение длиной волны от 770нм до 1мм и, следовательно, наряду с другими волнами, оно должно обладать свойствами, присущими всем электромагнитным волнам.

Целью нашей работы являлось:

1) обнаружение свойств инфракрасного излучения, общих для всех электромагнитных волн: отражения, преломления, поглощения, дифракции;

Инфракрасное излучение

ИК - излучение поток материальных частиц, обладающих волновыми и квантовыми свойствами. Они представляют собой периодические ЭМ колебания и в тоже время являются потоком квантовых фотонов.

ИК охватывают область спектра с длинной волны 760 нм - 540 мкм. Энергия кванта лежит в пределах 0,0125-1,25 эв.

Подавляющее большинство производственных процессов на пищевых предприятиях сопровождаются выделением инфракрасного (теплового) излучения (не менее 60% всей теряемой теплоты распространяется в окружающуюся среду путем - излучения). При этом оборудование, материалы следовательно человек тоже будет подвергаться ИК излучению.

С увеличением температуры излучающей поверхности длина волны уменьшается. Спектр теплового излучения - сплошной.

Эффект теплового действия ИК лучей на человека зависит от длинны волны, которая обуславливает глубину их проникновения. В связи с этим ИК излучение подразделяется на 3 области: А, В и С.

А - излучения с длинной волны 0,76 - 1,4 мкм, обладает большой проницаемостью через кожу, наиболее активно, при интенсивном облучении возможно образование катаракты, быстрая утомляемость, понижение внимания, усиленное потоотделение, при длительном облучении -тепловой удар (коротковолновое ИК излучение);

В- 1,4 - 3мкм, не проникают глубоко в ткани, поглощаются в эпидермисе кожи, но могут вызвать ожог кожи и глаз (длинноволновое излучение);

С - >3 мкм, длинноволновое излучение.

ИК влияют на функциональное состояние центральной нервной системы, сердечно-сосудистую систему, вызывают катаракту. Интенсивное воздействие коротковолнового ИК-излучения могут вызвать солнечный удар, тяжелое поражение мозговых оболочек и тканей до менингита и энцефалита. При перегревах наблюдается повышенная восприимчивость к простудным заболеваниям.

Интенсивность излучения измеряют актинометрами, спектрометрами.

Для защиты от ИКИ применяют:

- теплоизоляцию горячих поверхностей (самое эффективное средство);

теплоизоляция может быть мастичной - нанесение штукатурного раствора мастики на горячую поверхность, оберточной - из волокнистых материалов типа асбестовой ткани, минеральной ваты, войлока, может применяться на конструкциях не сложной конфигурации, засыпной - используется в основном при прокладке трубопроводов в коробах и каналах, где требуется большая толщина изоляционного слоя, штучной - штучными формовочными изданиями, скорлупами, применяют для облегчения работ, смешенной - из нескольких слоев (в первом - штучные изделия наружный из мастики)

- охлаждение теплоизлучающей поверхности;

- экранирование источника излучения;

по способности экрана - теплоотражающие, теплопоглощающие, теплоотводящие экраны;

- по степени прозрачности - непрозрачные (металлические водоохлаждаемые, асбестовые…), полупрозрачные ( металлическая сетка, стекло армированное металлической сеткой…), прозрачные (стекла, пленочные водяные завесы);

- воздушное душирование - воздушная струя, направленная на рабочее место (на грудь человека горизонтально или под угол 45 градусов);

- организация рационального режима труда и отдыха (частые короткие перерывы, рациональное питье) .

УФ излучение - электромагнитное излучение в оптической области с длиной волны l 200… 400 нм.

Интенсивное УФ излучение наблюдается при электросварке, работе плазменных установок, некоторых типов газоразрядных ламп и ртутно-кварцевых горелок. Естественный источник УФИ - Солнце.

УФ излучение обладает выраженным биологическим действием.

С одной стороны, УФ излучение является жизненно необходимым фактором, недостаток которого приводит к авитаминозу Д, ослаблению защитных реакций организма, обострению хронических заболеваний, расстройствам нервной системы. Недостаток УФ облучения наблюдается у людей, работающих без естественного освещения (в шахтах, рудниках, безоконных зданиях). Под воздействием УФ облучения более интенсивно выводятся некоторые яды, повышается сопротивляемость организма.

С другой стороны, повышенное УФ облучение может вызывать местные и общие неблагоприятные реакции. УФ облучение глаз приводит к электрофтальми (развивается через 10-12ч после облучения острое поражение слизистой оболочки глаз со светоболезнью, слезотечением, ощущением песка в глазах). Чрезмерное общее УФ облучение вызывает кожные поражения в виде острых дерматитов с эритемой, иногда отеком, вплоть до образования пузырей (солнечный ожог).

По биологическому эффекту выделяют следующие области УФА:

- А с длиной волны 400-280 нм -слабое биологическое действие;

- Вс длиной волны 315-280 нм -выраженное загарное и антирахитическим действием;

- С с длиной волны 280-200 нм - активно действует на тканевые белки и липиды, обладая выраженным бактерицидным действием.

Оценка УФ излучения проводится по эритемной дозе (эритема - покраснение кожи). Единицей эритемной дозы является 1 Эр; равный 1 Вт мощности УФ излучения на волне 297 нм.

В зависимости от степени УФ дефицита и контингента населения рекомендуются дозы 0,125…0,75 эритемной дозы, т.е. 10-60 (мэр ч / м 2 ) в сутки.

Допустимая интенсивность УФ при незащищенных участках поверхности кожи не более 0,2 м 2 (лицо шея кисти рук…) общей продолжительностью воздействия излучения 50% рабочей смены и длительностью однократного облучения свыше 5 мин и более не должен превышать 10 Вт/м 2 для области УФА и 0,01 Вт/м 2 - для области УФВ. Излучения в области УФС при указанной продолжительности не допускается.

При использовании спецодежды и средств защиты лица и рук, не пропускающих излучение, допустимая интенсивность облучения в области УФВ и УФС (200-315 нм) не должна быть выше 1 ВТ/м 2 .

Для защиты от УФИ применяют:

- противосолнечные экраны, которые могут быть химическими (химические вещества и покровные кремы, содержащие ингредиенты, поглощающие УФИ) и физические (различные преграды, отражающие, поглощающие или рассеивающие лучи);

- спецодежда, изготовленная из тканей, наименее пропускающих УФИ (поплин);

- очки с защитными стеклами (полную защиту обеспечивает флинтглас - стекло, содержащее окись свинца - толщиной 2 мм.

Лазером называется генератор ЭМИ оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения.

Принципы действия лазеров основан на свойстве атома излучать фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное (с меньшей энергией).

Область применения - обработка материалов (пайка, точечная сварка, сверление отверстий в металлах в кристаллах…), дефектоскопия материалов, строительство, радиоэлектронная промышленность.

По характеру генерации лазеры разделяют на импульсные (длительность излучения 0,25 с) и лазеры непрерывного действия (0,25 с и более)

Основные энергетические параметры: энергия излучения Е; энергия импульсов Еи; мощность излучения Р; плотность энергии (мощности) излучения Wе(Wр).

Излучения характеризуются также длительностью импульса t, частотой повторения импульсов f, длительностью воздействия излучения t, длинной волны l.

Особенность лазерного излучения - его острая направленность, позволяющая на малой площади получать большие значения плотности энергии.

Лазерное излучение является ЭМИ, генерируемым в диапазоне длин волн 0,2-1000 мкм, который, с точки зрения биологического действия, может быть разбит на ряд областей спектров:

0,2-0,4 мкм - ультрафиолетовая область;

0,4-0,7 мкм - видимая;

0,75-1,4 мкм - ближняя ИК;

более 1,4 мкм - дальняя ИК.

В настоящее время чаще всего применяют лазеры с длинами волн: 0,34; 049-0,51; 0,53; 0,694; 1,06 и 10,6 мкм.

При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергаться воздействию прямого, рассеянного и отраженного излучения:

- из-за большой интенсивности прямого ЛИ и малой расходимости луча достигается высокая плотность излучения (10 11 -10 14 Вт/см 2 ) в то время как для испарения самых твердых материалов достаточно 10 9 Вт/см 2 .

- отраженное излучение опасно так же как и прямое. Кроме того, луч лазера, многократно зеркально или диффузно отраженный от различных поверхностей, может появиться в любом месте.

При эксплуатации лазерных установок наблюдаются сопутствующие опасные и вредные факторы: световое излучение от импульсных ламп накачки; ИИ; шум и вибрация; ЭМП; ИК-излучения; тепловыделения и т.д.

Воздействие ЛИ на организм человека имеет сложный характер. Биологический эффект воздействия зависит от энергетической экспозиции (отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок, к площади того участка, на длительность облучения).

Биологические эффекты делятся на первичные и вторичные. В первом случае происходят органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях. Во втором - побочные явления, образующиеся в организме вследствие облучения.

Различают следующие виды воздействия:

- термическое: ожоги (от покраснения до обугливания), при энергии свыше 100 Дж образуется кратерообразный участок некроза из-за разрушения и испарения биоткани, особенность - резкая ограниченность пораженной области;

- повреждение внутренних органов: отеки, кровоизлияния, свертывание и распад крови.

- повреждение глаз: возникает от прямого и отраженного луча, зависит от длины волны, зависит от длины волны;

- вторичное: в результате процессов, возникающих в результате избирательного поглощения тканями электромагнитной энергии, а также электрическими и фотоэлектрическими эффектами, люди, постоянно работающие с лазерами жалуются на повышенную общую утомляемость, головные боли, повышенную возбудимость, нарушения сна…

Обеспечение лазерной безопасности проводится техническими, санитарно-гигиеническими и организационными мероприятиями.

ПДУ устанавливаются по энергетической экспозиции (отношения энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности к площади этого участка).

ПДУ нормируется отдельно для роговицы, сетчатки глаз и кожи, устанавливается в зависимости от длины волны, длительности импульса, частоты его повторения, углового размера луча, фоновой освещенности лица работающего.

ПДУ для многоимпульсного и непрерывного ЛИ с l = 0,308 мкм при облучении глаз и кожи в течение рабочего дня Нпду=10 -4 Дж/см 2 .

Отдельные нормы устанавливаются для вторичных эффектов.

В зависимости от выходной энергии и ПДУ при однократном воздействии генерируемого излучения по степени опасности лазеры делятся на 4 класса.

- Iполностью безопасные лазеры;

- II выходное излучение представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком (заключенным в ограниченный телесный угол), их диффузное отражение безопасно для глаз и кожи

- IIIопасно при облучении глаз коллимированным и диффузным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности их диффузное отражение безопасно для кожи;

- IVдиффузно отраженное излучение опасно для глаз и кожи на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Средства защиты:

- экраны и ограждения рабочей зоны (для лазеров лазеры II, III класса) - из огнестойких материалов, с наименьшим коэффициентом отражения, не выделяющие токсичные вещества при воздействии лазера;

- блокировка двери для лазеров IV класса - они должны быть в отдельном помещении и иметь дистанционное управление;

- СИЗ: противолазерные очки (в зависимости от длины волны стекла оранжевого, сине-зеленого цвета или бесцветные), одежда из бязевой ткани светло-зеленого или светло-голубого цвета.

- на дверях помещений, где имеются лазеры II, III, IV классов должна быть маркировка знаком лазерной безопасности внутри помещения стены, потолки должны иметь матовую поверхность, не должно быть предметов (за исключением специальной аппаратуры) с зеркальной поверхностью;

- Размещение оборудования свободное.

Вопросы самоконтроля:

1. Особенности воздействия ЭМП на человека.

2. Средства индивидуальной защиты человека от различных излучений.

Литература:

1.Экология и безопасность жизнедеятельности / Под общ. ред. Л.А. Муравья. - М.: ЮНИТИ, 2000г.

2.Алексеев С.В. Усенко В.Р. Гигиена труда. - М.: Медицина, 1998г.

3.Гигиена труда при воздействии электромагнитных полей/Под ред. Ковшило В.Е.- М.:Медицина, 1983.

Читайте также: