Raggi infrarossi: proprietà, applicazioni, effetti sull'uomo. Fonti di radiazione infrarossa

I raggi infrarossi sono onde elettromagnetiche nella regione invisibile dello spettro elettromagnetico, che inizia dietro la luce rossa visibile e finisce davanti alla radiazione a microonde tra le frequenze 10 ¹² e 5 10 ¹⁴ Hz (o è nell'intervallo di lunghezza d'onda di 1-750 nm). Il nome deriva dalla parola latina infra e significa "sotto il rosso".

L'uso dei raggi infrarossi è vario. Sono utilizzati per visualizzare oggetti al buio o in fumo, per riscaldare le saune e riscaldare le ali degli aeromobili per proteggerli dalla formazione di ghiaccio, nel campo vicino e durante l'analisi spettroscopica di composti organici.

scoperta

I raggi infrarossi furono scoperti nel 1800 da un musicista britannico e astronomo dilettante di origine tedesca, William Herschel. Usando un prisma, ha diviso la luce solare nelle sue componenti costitutive e ha registrato un aumento di temperatura dietro la parte rossa dello spettro usando un termometro.

Radiazione infrarossa e calore

La radiazione infrarossa è spesso definita termica. Tuttavia, va notato che è solo la sua conseguenza. Il calore è una misura dell'energia traslazionale (energia del moto) degli atomi e delle molecole della materia. I sensori "di temperatura" in realtà non misurano il calore, ma solo le differenze nella radiazione infrarossa di vari oggetti.

Molti maestri di fisica a raggi infrarossi attribuiscono tradizionalmente l'intera termica Radiazione solare Ma questo non è completamente vero. Con la luce solare visibile, il 50% di tutto il calore entra e le onde elettromagnetiche di qualsiasi frequenza con intensità sufficiente possono causare calore. Tuttavia, è giusto dire che a temperatura ambiente gli oggetti emettono calore principalmente nella banda centrale dell'infrarosso.

La radiazione IR viene assorbita ed emessa dalle rotazioni e dalle vibrazioni degli atomi legati chimicamente o dai loro gruppi e, di conseguenza, da molti tipi di materiali. Ad esempio, trasparente per la luce visibile del vetro della finestra IR assorbe la radiazione. I raggi infrarossi sono in gran parte assorbiti dall'acqua e dall'atmosfera. Sebbene siano invisibili agli occhi, possono essere percepiti dalla pelle.

Terra come fonte di radiazione infrarossa

La superficie del nostro pianeta e le nuvole assorbono l'energia solare, la maggior parte delle quali sotto forma di radiazioni IR viene rilasciata nell'atmosfera. Alcune sostanze in esso contenute, principalmente goccioline di vapore e acqua, nonché metano, anidride carbonica, protossido di azoto, clorofluorocarburi e esafluoruro di zolfo, assorbono la regione infrarossa dello spettro e si riattivano in tutte le direzioni, inclusa la Terra. Quindi perché effetto serra L'atmosfera e la superficie terrestre sono molto più calde rispetto all'assenza di sostanze che assorbono i raggi infrarossi nell'aria.

Questa radiazione svolge un ruolo importante nel trasferimento di calore ed è parte integrante del cosiddetto effetto serra. A livello globale, l'influenza dei raggi infrarossi si estende al bilancio di radiazione della Terra e colpisce quasi tutta l'attività della biosfera. Praticamente ogni oggetto sulla superficie del nostro pianeta emette radiazioni elettromagnetiche principalmente in questa parte dello spettro.

Aree a infrarossi

La gamma a infrarossi è spesso divisa in segmenti più stretti dello spettro. L'Istituto tedesco degli standard DIN ha definito le seguenti lunghezze d'onda dei raggi infrarossi:

• vicino (0,75-1,4 micron), comunemente usato nella comunicazione in fibra ottica;
• onda corta (1.4-3 μm), a partire dalla quale l'assorbimento della radiazione IR da parte dell'acqua aumenta significativamente;
• onda media, anche chiamata intermedio (3-8 micron);
• onda lunga (8-15 micron);
• lontano (15-1000 micron).

Tuttavia, questo schema di classificazione non è utilizzato ovunque. Ad esempio, in alcuni studi sono indicati i seguenti intervalli: vicino (0,75-5 micron), medio (5-30 micron) e lungo (30-1000 micron). Le lunghezze d'onda utilizzate nelle telecomunicazioni sono divise in bande separate a causa delle limitazioni di rivelatori, amplificatori e sorgenti.

La notazione generale è giustificata dalle reazioni umane ai raggi infrarossi. La regione del vicino infrarosso è più vicina alla lunghezza d'onda visibile all'occhio umano. Le radiazioni media e lontano infrarosso vengono gradualmente rimosse dalla parte visibile dello spettro. Altre definizioni seguono diversi meccanismi fisici (come i picchi di emissione e l'assorbimento d'acqua), mentre i più recenti si basano sulla sensibilità dei rivelatori utilizzati. Ad esempio, i sensori convenzionali al silicio sono sensibili intorno a 1050 nm e l'arseniuro di gallio indio varia da 950 nm a 1700 e 2200 nm.

Un chiaro confine tra la luce infrarossa e visibile non è definito. L'occhio umano è molto meno sensibile alla luce rossa, superando la lunghezza d'onda di 700 nm, ma un bagliore intenso (laser) può essere visto fino a circa 780 nm. L'inizio della gamma IR è definito in diversi standard in modi diversi, a metà tra questi valori. Questo di solito è 750 nm. Pertanto, i raggi infrarossi visibili sono possibili nell'intervallo 750-780 nm.

Designazioni nei sistemi di comunicazione

La comunicazione ottica nella regione del vicino infrarosso è tecnicamente suddivisa in un certo numero di bande di frequenza. Questo è dovuto a diversi fonti di luce materiali assorbenti e trasmittenti (fibre) e rivelatori. Questi includono:

• O-range 1.260-1.360 nm.
• E-range 1,360-1,460 nm.
• Serie S da 1.460 a 1.530 nm.
• C-range 1.530-1.565 nm.
• L-intervallo 1.565-1.625 nm.
• U-range 1,625-1,675 nm.

termografia

La termografia, o termografia, è un tipo di immagine a infrarossi di oggetti. Poiché tutti i corpi emettono nella gamma a infrarossi e l'intensità della radiazione aumenta con la temperatura, è possibile utilizzare telecamere speciali con sensori IR per rilevare e acquisire immagini. Nel caso di oggetti molto caldi nella regione del vicino infrarosso o visibile, questo metodo è chiamato pirometria.

La termografia è indipendente dall'illuminazione della luce visibile. Di conseguenza, è possibile "vedere" l'ambiente anche al buio. In particolare, gli oggetti caldi, comprese le persone e gli animali a sangue caldo, si stagliano bene contro uno sfondo più freddo. La fotografia a infrarossi del paesaggio migliora la visualizzazione degli oggetti a seconda del loro trasferimento di calore: il cielo blu e l'acqua appaiono quasi neri, e il verde delle foglie e della pelle si manifestano in modo vivido.

Storicamente, la termografia è stata ampiamente utilizzata dai servizi militari e di sicurezza. Inoltre, trova molti altri usi. Ad esempio, i vigili del fuoco lo usano per vedere attraverso il fumo, trovare persone e individuare punti caldi durante un incendio. La termografia può rivelare anomalie nella crescita e nei difetti dei circuiti nei sistemi elettronici e nei circuiti a causa della loro maggiore produzione di calore. Gli elettricisti che servono le linee elettriche possono rilevare collegamenti e parti surriscaldati, segnalare un malfunzionamento ed eliminare potenziali pericoli. In caso di violazione dell'isolamento termico, gli specialisti della costruzione possono vedere perdite di calore e aumentare l'efficienza dei sistemi di raffreddamento o riscaldamento. In alcune auto di fascia alta sono installate termocamere per assistere il guidatore. Con l'aiuto di immagini termografiche, è possibile controllare alcune reazioni fisiologiche nell'uomo e negli animali a sangue caldo.

L'aspetto e il metodo di funzionamento di una moderna termocamera non differiscono da quelli di una videocamera convenzionale. La capacità di vedere nello spettro dell'infrarosso è una funzione così utile che la possibilità di registrare immagini è spesso opzionale e il modulo di registrazione non è sempre disponibile.

Altre immagini

Nella fotografia IR, la gamma del vicino infrarosso viene catturata usando filtri speciali. Le videocamere digitali, di norma, bloccano le radiazioni infrarosse. Tuttavia, le telecamere economiche che non dispongono dei filtri appropriati sono in grado di "vedere" nel campo del vicino infrarosso. In questo caso, la luce solitamente invisibile appare di un bianco brillante. Ciò è particolarmente evidente durante le riprese vicino agli oggetti a infrarossi illuminati (ad esempio, le lampade), dove il rumore provocato rende l'immagine sbiadita.

Degno di menzione è anche l'imaging T-beam, che è un'acquisizione di immagini nella gamma dei terahertz lontani. La mancanza di fonti luminose rende queste immagini tecnicamente più complesse della maggior parte degli altri metodi di imaging IR.

LED e laser

Le sorgenti artificiali di radiazione infrarossa includono, oltre a oggetti caldi, LED e laser. I primi sono piccoli dispositivi optoelettronici economici realizzati con materiali semiconduttori come l'arsenuro di gallio. Sono utilizzati come optoisolatori e come sorgenti luminose in alcuni sistemi di comunicazione basati su fibre ottiche. I laser IR ad alta potenza a pompaggio ottico funzionano sulla base del diossido e del monossido di carbonio. Sono usati per iniziare e modificare le reazioni chimiche e per separare gli isotopi. Inoltre, sono utilizzati nei sistemi lidar per determinare la distanza da un oggetto. Anche le sorgenti di radiazione infrarossa sono utilizzate nei telemetri di telecamere automatiche a focalizzazione automatica, allarmi di sicurezza e dispositivi ottici di visione notturna.

Ricevitori IR

I dispositivi di rilevamento a infrarossi includono dispositivi sensibili alla temperatura, come rilevatori di termocoppie, bolometri (alcuni di essi sono raffreddati a temperature vicine a zero assoluto per ridurre le interferenze dal rivelatore stesso), celle fotovoltaiche e fotoconduttori. Questi ultimi sono fatti di materiali semiconduttori (per esempio, silicio e solfuro di piombo), la cui conducibilità elettrica aumenta quando esposto ai raggi infrarossi.

riscaldamento

La radiazione infrarossa viene utilizzata per il riscaldamento, ad esempio per riscaldare le saune e rimuovere il ghiaccio dalle ali degli aerei. Inoltre, viene sempre più utilizzato per sciogliere l'asfalto durante la posa di nuove strade o la riparazione di aree danneggiate. Le radiazioni IR possono essere utilizzate nella preparazione e riscaldamento del cibo.

collegamento

Le lunghezze d'onda IR vengono utilizzate per trasmettere dati su brevi distanze, ad esempio tra periferiche per computer e personal digital assistant. Questi dispositivi di solito sono conformi agli standard IrDA.

La comunicazione a infrarossi è comunemente utilizzata al chiuso in aree ad alta densità di popolazione. Questo è il modo più comune per i dispositivi di controllo remoto. Le proprietà dei raggi infrarossi non consentono loro di penetrare nelle pareti e pertanto non interagiscono con l'apparecchiatura nelle stanze vicine. Inoltre, i laser IR vengono utilizzati come sorgenti luminose nei sistemi di comunicazione a fibre ottiche.

spettroscopia

La spettroscopia a radiazione infrarossa è una tecnologia utilizzata per determinare le strutture e le composizioni di composti (principalmente) organici studiando la trasmissione della radiazione IR attraverso i campioni. Si basa sulle proprietà delle sostanze di assorbire alcune delle sue frequenze, che dipendono dallo stiramento e dalla flessione all'interno delle molecole del campione.

Le caratteristiche di assorbimento e emissione di molecole e materiali nell'infrarosso forniscono importanti informazioni sulla dimensione, la forma e il legame chimico di molecole, atomi e ioni nei solidi. Le energie e le vibrazioni di rotazione sono quantizzate in tutti i sistemi. La radiazione infrarossa dell'energia hν emessa o assorbita da una data molecola o sostanza è una misura della differenza tra certi stati di energia interna. A loro volta, sono determinati dal peso atomico e dai legami molecolari. Per questo motivo, la spettroscopia a infrarossi è un potente strumento per determinare la struttura interna di molecole e sostanze o, quando tali informazioni sono già note e tabulate, i loro numeri. I metodi di spettroscopia IR sono spesso usati per determinare la composizione e, quindi, l'origine e l'età dei campioni archeologici, nonché per rilevare falsi di opere d'arte e altri oggetti che, se visti sotto la luce visibile, assomigliano agli originali.

I benefici e i danni dei raggi infrarossi

La radiazione infrarossa a onde lunghe è utilizzata in medicina per:

• normalizzazione della pressione sanguigna stimolando la circolazione sanguigna;
• pulizia del corpo di sali di metalli pesanti e tossine;
• migliorare la circolazione e la memoria del sangue cerebrale;
• normalizzazione del background ormonale;
• mantenere l'equilibrio del sale dell'acqua;
• restrizioni sulla diffusione di funghi e germi;
• sollievo dal dolore;
• alleviare l'infiammazione;
• miglioramento dell'immunità

Allo stesso tempo, la radiazione infrarossa può essere dannosa nelle malattie acute purulente, nel sanguinamento, nell'infiammazione acuta, nelle malattie del sangue e nei tumori maligni. L'esposizione prolungata incontrollata provoca arrossamento della pelle, ustioni, dermatiti e shock termici. I raggi infrarossi a onde corte sono pericolosi per gli occhi - possono sviluppare fotofobia, cataratta, deficit visivo. Pertanto, per il riscaldamento dovrebbero essere utilizzate solo sorgenti di radiazioni a onda lunga.