Инфракрасное излучение и здоровье человека

Излучение инфракрасного спектра

Все виды излучения тем или иным образом связаны между собой. Некоторые из них видны человеческому глазу. Инфракрасное излучение примыкает к той части спектра, которую глаз человека может уловить. Оно не только освещает поверхность, но и способно ее нагревать.

Основным естественным источником ИК-лучей является солнце. Человеком созданы искусственные излучатели, посредство которых достигается необходимый тепловой эффект.

Теперь нужно разобраться, насколько полезным или вредным является такой вид излучения для человека. Практически все длинноволновое излучение инфракрасного спектра поглощается верхними слоями кожи, поэтому не только безопасно, но и способно повысить иммунитет и усилить восстановительные процессы в тканях.

Что касается коротких волн, то они могут уходить глубоко в ткани и вызывать перегрев органов. Так называемый тепловой удар является следствием воздействия коротких инфракрасных волн. Симптомы этой патологии известны почти всем:

появление кружения в голове;
чувство тошноты;
возрастание пульса;
нарушения зрения, характеризующиеся потемнением в глазах.

Как же уберечь себя от опасного влияния? Нужно соблюдать технику безопасности, пользуясь теплозащитной одеждой и экранами. Применение коротковолновых обогревателей должно быть четко дозировано, нагревательный элемент должен быть прикрыт теплоизолирующим материалом, при помощи которого достигается излучение мягких длинных волн.

Использование ИК-лучей

В современном мире ИК-лучи нашли применение и используются не только для создания обогревательных систем, но и в ряде других случаев:

На их основе создаются приборы ночного видения, причем существует целый ряд способов визуализации. В том числе системами с инфракрасными светодиодами оснащены современные видеокамеры, использующиеся для охранных целей. Также, на их основе работают болометры и другие приборы, обеспечивающие техническое зрение и позволяющие видеть в темное время суток.
Получение термограмм – специальной разновидности визуальных изображений в инфракрасном спектре, необходимых для понимания картины распределения тепловых полей. Развитие термографии и создание новых усовершенствованных моделей тепловизоров востребовано для военных целей и внедрения данных разработок в службах, обеспечивающих безопасность.
Создание отопительных систем, функционирующих на основе ИК-излучений, а не конвекции и позволяющих в значительной степени снижать траты электроэнергии.
В промышленных целях используются для осуществления сушки поверхностей, покрытых лаками или краской. Показатель скорости и снижение затрат энергии делают такую методику более предпочтительной и выгодной, чем традиционные способы.
Обеспечение развития спектроскопии, поскольку спектрометры, работающие в инфракрасном диапазоне, значительно превосходят аналоги. Они позволяют устанавливать и изучать строение коротких молекул как органических, так и неорганических веществ.
Создание диодов и лазеров на их основе позволило разработать принципиально новую возможность передачи данных на расстоянии по беспроводной методике. Чаще всего применяется для установления связи между персональным компьютером и стационарными устройствами без дополнительного подключения друг к другу.
Широкое применение было найдено и в медицине: чаще всего ИК-лучи используются в физиотерапии. Было замечено их положительное воздействие на процессы метаболизма и кровообращения.
В пищевой отрасли используются для термического и биологического воздействия на ряд продуктов питания. Помимо прочего, подобные излучения помогают процессам стерилизации и дезинфекции пищи.
Активно используются для проверки денег на подлинность или фальшивость. Для этого на купюры обычно наносится специальная метамерная краска, увидеть наличие которой можно только при воздействии инфракрасных волн.

Лечение инфракрасным излучением

Таким образом, польза инфракрасного излучения для человека достигается через следующий механизм:

Тепло, поступающее от лучей, запускает и ускоряет биохимические реакции.
В первую очередь, начинается усиление процессов регенерации тканей, сеть сосудов становится шире, ускоряется ток крови.
Вследствие этого рост здоровых клеток становится все более интенсивным, плюс ко всему в организме начинают самостоятельно вырабатываться биологически активные вещества.
Все это снижает артериальное давление за счет лучшего кровоснабжения, благодаря чему достигается мышечная релаксация.
Обеспечивается легкий доступ белых кровяных тел к очагам воспаления. Это приводит к укреплению иммунитета и усилению защитных функций организма в борьбе с различными заболеваниями.

Именно благодаря таким особым свойствам и достигается общеукрепляющий эффект для организма при лечении инфракрасными лучами.

При лечении облучению может подвергаться как организм целиком, так и некоторая его пораженная часть. Процедуры могут проводиться до 2 раз в день, а продолжительность сеанса – до получаса. Количество процедур зависит от потребностей пациента. Чтобы не навредить, во время сеансов обязательно необходимо защитить от воздействия излучения глаза и зону вокруг них. Для этого используются различные способы.

Внимание! Покраснение кожи, проявившееся после процедуры на коже, исчезнет в течение часа.

Свойства инфракрасного излучения

На шкале электромагнитных волн инфракрасное излучение занимает длину волн от 1 мм (частота 300 ГГц) до 0,75 мкм (частота 400 ТГц):

Рис. 2. Шкала электромагнитных излучений.

Весь диапазон условно разделен на следующие поддиапазоны:

Менее 3 мкм — ближний инфракрасный диапазон. Длинноволновая граница этого диапазона определяется ухудшением прозрачности воды для более длинных волн.
3–50 мкм — средний инфракрасный диапазон. Это диапазон, в котором излучает большинство тел, имеющих невысокие температуры (от –215 до 700 ⁰С).
Более 50 мкм — дальний инфракрасный диапазон, простирающийся до микроволнового излучения по шкале электромагнитных волн.

Несмотря на то, что все свойства инфракрасного излучения практически такие же, как у видимого света, оптические свойства различных веществ по отношению к ИК-излучению существенно различаются. Например, сухой и чистый воздух практически прозрачен для инфракрасного излучения, однако наличие в воздухе паров воды и углекислого газа резко уменьшает его прозрачность.

Также влияют на прозрачность воздуха микрочастицы пыли, поскольку твердые вещества, как правило, непрозрачны для инфракрасного излучения, хотя бывают исключения.

Например, обычное стекло достаточно хорошо пропускает ближний ИК-диапазон, но задерживает дальний. На этой разнице основан парниковый эффект теплиц. Солнечное излучение легко проникает сквозь стеклянную поверхность, но земля излучает гораздо более длинные ИК-волны, которые стекло не пропускает.

Свойства ИК-излучения определяют области его применения. В первую очередь — это бесконтактное измерение температуры тел.

Рис. 3. Области применения ИК-излучения.

Что мы узнали?

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение тел, генерируемое в результате теплового движения атомов и молекул нагретого тела. Условно разбито на три поддиапазона. Длина волны максимальной мощности определяется законом В. Вина.

/10
Вопрос 1 из 10

Польза и вред инфракрасных лучей

Длинноволновое ИК-излучение применяется в медицине с целью:

нормализации артериального давления путем стимуляции кровообращения;
очищения организма от солей тяжелых металлов и токсинов;
улучшения кровообращения мозга и памяти;
нормализации гормонального фона;
поддержания водно-солевого баланса;
ограничения распространения грибков и микробов;
обезболивания;
снятия воспаления;
укрепления иммунитета.

Вместе с тем ИК-излучение может нанести вред при острых гнойных заболеваниях, кровотечениях, острых воспалениях, болезнях крови, злокачественных опухолях. Неконтролируемое продолжительное воздействие ведет к покраснению кожи, ожогам, дерматиту, тепловому удару. Коротковолновые ИК-лучи опасны для глаз – возможно развитие светобоязни, катаракты, нарушений зрения. Поэтому для отопления должны применяться исключительно источники длинноволнового излучения.

Инфракрасная сауна: эффект

Лечебное воздействие тепла на организм начинается с первой же минуты сеанса (не тратится время на нагревание воздуха). За несколько минут тело нагревается до 38°C, подобная температура оказывает подавляющее действие на большинство болезнетворных микробов.

Под воздействием тепла расширяются поры кожи, стимулируется потоотделение (в 2-3 раза сильнее, чем в обычной сауне). В результате с потом из организма удаляются шлаки и вредные вещества. Пот в инфракрасной сауне только на 80% состоит из воды, а на 20% – из твердых веществ (в числе которых свинец, кадмий, никель, медь и др.), тогда как пот в обычной бане содержит 95% воды, а твердые вещества составляют в нем только 5%.

Как избежать вредного влияния ИК лучей

Итак, мы уже в курсе, что самыми опасными для человека являются коротковолновые излучения. Теперь осталось узнать, где оно может нас подстерегать. В первую очередь источниками такого излучения могут быть тела, температура которых более 100оС. Это могут быть:

Промышленные источники лучевых энергий. К ним относятся сталеплавильные печи и электродуговые. Чтобы уберечь обслуживающий такие предприятия персонал нужно выдавать защитную амуницию, устанавливать теплозащитные экраны, совершенствовать технологический процесс производства и на постоянной основе проводить лечебно-профилактические мероприятия.
Обогревательные приборы. Если раньше популярностью у населения пользовалась русская печь, тепло которой было чрезвычайно комфортным и плюс обладало лечебными свойствами, то современному человеку такая деталь чужда. На смену замечательным печкам пришли обогреватели, работающие на электрике. Их тоже можно разделить на «полезные» и «вредные». Так, модели, спирали которых изолированы специальным материалом, излучают благоприятное и мягкое тепло в окружающую среду, а вот варианты с открытыми нагревательными элементами генерируют пресловутые короткие волы инфракрасные, о чьих способностях мы уже знаем. Производители обязательно должны указывать характер излучаемых волн.

Польза для организма человека

Инфракрасное излучение, воздействующее на тело человека, приводит к улучшению циркуляции крови вследствие расширения сосудов, лучшему насыщению органов и тканей кислородом. Кроме того, повышение температуры тела оказывает болеутоляющий эффект за счет воздействия лучей на нервные окончания в кожных покровах.

Было подмечено, что хирургические операции, проведенные под действием ИК-излучения, имеют ряд преимуществ:

несколько легче переносятся боли после операций;
быстрее идет регенерация клеток;
влияние инфракрасного излучения на человека позволяет избежать охлаждения внутренних органов в случае выполнения операции на открытых полостях, что понижает риск развития шока.

У больных с ожогами инфракрасное излучение создает возможность удаления некрозов, а также выполнения аутопластики на более раннем этапе. Кроме того, снижается срок лихорадки, в меньшей степени выражены анемия и гипопротеинемия, снижается частота осложнений.

Доказано, что ИК-излучение способно ослабить действие некоторых ядохимикатов, путем повышения неспецифического иммунитета. Многие из нас знают о лечении ринита и некоторых других проявления простуды синими ИК-лампами.

Обеспечение безопасного использования

Чтобы быть уверенным в том, что прибор не вредит здоровью близких, нужно выбрать качественное устройство подходящей мощности и правильно пользоваться им.

Как выбрать безопасный ИК обогреватель

При выборе специалисты рекомендуют придерживаться нескольких правил. Они помогут сделать правильную покупку и избежать возможного вреда здоровью.

Принципы выбора

В процессе покупки следует уделять внимание только проверенным маркам и производителям.
Дешёвые приборы чаще всего делают из материалов низкого качества. Такой обогреватель быстро выйдет из строя и может нанести ещё больший ущерб здоровью.
От покупки мощного агрегата также лучше отказаться. Они выделяют короткие волны, негативно влияющие на организм.
Для большой площади лучше приобретать несколько устройств с небольшой мощностью

Они обеспечат равномерную температуру в комнате и не навредят системам жизнедеятельности организма.

Они выделяют короткие волны, негативно влияющие на организм.
Для большой площади лучше приобретать несколько устройств с небольшой мощностью. Они обеспечат равномерную температуру в комнате и не навредят системам жизнедеятельности организма.

Какой прибор выбрать

Потребители часто сталкиваются с проблемой правильного выбора при покупке обогревателя для дома или дачи. Современные производители предлагают большой ассортимент обогревателей, которые отличаются типом нагревательного элемента и типом крепления.

К самым популярным относится потолочный. Он не занимает много места, лучи равномерно распространяются по всей площади комнаты, не оказывая большого воздействия на человека.
Настенный хорошо справляется с задачей прогреть определённую зону в комнате. Такой прибор выполняет не только функцию обогревателя: плёночные панели могут послужить оригинальным элементом декора.
Напольный отличается своей мобильностью. Его легко перемещать между комнатами в доме или квартире. Сейчас на рынке представлена отдельная разновидность напольных обогревателей. Их можно спрятать под ковёр. В комнате всегда будет комфортная температура, а лучи не будут оказывать прямого воздействия на человека.

По типу нагревательных элементов выделяют две группы.

К первой относятся вольфрамовые, карбоновые, ТЭН. Они выделяются относительно невысокой стоимостью и быстрой системой нагрева.
Во второй группе керамические и плёночные радиаторы. Главное преимущество — безопасное использование. Привлекательный дизайн поможет легко вписаться в любой интерьер.

Правила безопасной эксплуатации

Необходимые рекомендации и указания полезно соблюдать не только при покупке, но и при эксплуатации прибора. В этом случае приборы не будут опасны, а их использование станет полезным для дома и комфортным для его проживающих.

В процессе работы запрещено касаться обогревателя открытыми частями тела. Такие действия приведут к появлению ожогов и волдырей. Следует также уберечь детей от внезапных прикосновений.
Использовать инфракрасные радиаторы необходимо только в установленном производителем положении, соблюдая все требования инструкции. Пренебрежения и нарушения могут стать причиной возгорания и получения травм.
Расстояние между обогревающим устройством и остальными предметами быта должно составлять не менее полуметра. Предметы, расположенные слишком близко к обогревателю, легко могут воспламениться.
При установке рекомендовано обратиться к специалистам. Они проведут точные работы для обеспечения комнаты радиатором. Неправильная установка может привести к сбоям в функционировании прибора и быстрому выходу его из строя.

ИК-излучение и тепло

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло – это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов.

Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
длинноволновый (8-15 мкм);
дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия – в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному – где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750–780 нм.

Спектральный диапазон излучения ЭМП

Свет, который воспринимается человеческим глазом, является частью спектра электромагнитного излучения, но лишь незначительной. При его изучении были открыты и другие волны. К электромагнитным волнам относятся:

Рентгеновские и гамма-лучи – высокочастотное электромагнитное излучение (3 – 300 МГц).
Инфракрасное излучение, видимый человеческим глазом свет, а также ультрафиолет – среднечастотное излучение (0,3 — 3 МГц).
Радиоизлучение и микроволны – низкочастотные излучения (3 – 300 кГц).

Излучение, исходящее от низкочастотных и среднечастотных источников – неионизирующее. Это значит, что вред для здоровья при допустимом уровне воздействия ЭМИ минимален.

Сильное биологическое воздействие на организм человека оказывает медицинское оборудование – источники высокочастотного облучения и ионизирующего электромагнитного излучения: рентгеновские аппараты и аппараты компьютерной томографии. МРТ и УЗИ неопасны для организма, потому что при диагностике не используются рентгеновские лучи.

Полный спектр электромагнитного излучения по длине волны подразделяется на диапазоны:

радиоволны (100 км – 1 мм) – используются в области телерадиовещания, в радиолокации;
микроволны (300 – 1 мм) – применяются в промышленности и в быту: спутниковая и сотовая связь, микроволновые печи;
инфракрасное излучение (2000 мкм – 740 нм) находят широкое применение в криминалистике, физиотерапии, для сушки изделий или продуктов;
оптическое излучение– 740 — 400 нм — видимый человеком свет;
ультрафиолетовое излучение (400 – 10 нм) получило широкое распространение в медицине и в промышленности: бактерицидные и кварцевые лампы;
рентгеновские лучи (0,1 – 1,01 нм) широко применяются в медицинской диагностике;
гамма-излучения (меньше 0,01 нм) используются при лечении онкологических заболеваний.

Границы между диапазонами спектра считаются весьма условными.

Вред для человека

Стоит отметить, что вред от инфракрасного излучения для организма человека тоже может быть весьма существенным. Наиболее очевидные и распространенные случаи — ожоги кожи и дерматиты. Происходить они могут либо при слишком длительном воздействии слабых волн инфракрасного спектра, либо в ходе интенсивного облучения. Если говорить о медицинских процедурах, то редко, но все же случаются тепловые удары, астении и обострения болей при неправильном лечении.

Одной из современных проблем являются ожоги глаз. Наиболее опасны для них ИК-лучи с длинами волн в пределах 0,76-1,5 мкм. Под их влиянием происходит нагревание хрусталика и водянистой влаги, что может приводить к различным нарушениям. Одним из самых распространенных последствий является светобоязнь. Об этом стоит помнить детям, играющим с лазерными указками, и сварщикам, пренебрегающим средствами индивидуальной защиты.

Спектроскопия

Инфракрасная радиационная спектроскопия – это технология, используемая для определения структур и составов (главным образом) органических соединений путем изучения пропускания ИК-излучения через образцы. Она основана на свойствах веществ поглощать определенные его частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Характеристики инфракрасного поглощения и излучения молекул и материалов дают важную информацию о размере, форме и химической связи молекул, атомов и ионов в твердых телах. Энергии вращения и вибрации квантуются во всех системах. ИК-излучение энергии hν, испускаемое или поглощаемое данной молекулой или веществом, является мерой разности некоторых внутренних энергетических состояний. Они, в свою очередь, определяются атомным весом и молекулярными связями. По этой причине инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом определения внутренней структуры молекул и веществ или, когда такая информация уже известна и табулирована, их количества. ИК-методы спектроскопии часто используются для определения состава и, следовательно, происхождения и возраста археологических образцов, а также для обнаружения подделок произведений искусства и других предметов, которые при осмотре под видимым светом напоминают оригиналы.

История открытия инфракрасных волн

Инфракрасные волны удалось обнаружить британскому астроному Уильяму Гершелю. Открытие было зарегистрировано в 1800 году. Используя стеклянные призмы в своих опытах, учёный таким способом исследовал возможности разделения солнечного света на отдельные компоненты.

Когда Уильяму Гершелю пришлось измерять температуру отдельных цветов, обнаружился фактор увеличения температуры при последовательном прохождении следующего ряда:

фиолет,
синька,
зелень,
желток,
оранж,
красный.

Астроном пошёл дальше — исследовал значение температуры за пределами спектральной части красного. В этой области температура оказалась самой высокой. Так подтвердилось существование инфракрасного излучения.

Волновой и частотный диапазон ИК-радиации

Исходя из длины волны, учёные условно делят инфракрасное излучение на несколько спектральных частей. При этом нет единого определения границ каждой отдельной части.

Шкала электромагнитного излучения: 1 — радиоволны; 2 — микроволны; 3 — ИК-волны; 4 — видимый свет; 5 — ультрафиолет; 6 — лучи x-ray; 7 — гамма лучи; В — диапазон длин волн; Э — энергетика

Теоретически обозначены три волновых диапазона:

Ближний
Средний
Дальний

Ближний ИК-диапазон отмечен длинами волн, приближенных до конечной части спектра видимого света. Примерный расчётный отрезок волны здесь обозначен длиной: 750 — 1300 нм (0,75 — 1,3 мкм). Частота излучения составляет примерно 215-400 Гц. Короткий ИК-диапазон излучат минимум тепла.

Средний ИК-диапазон (промежуточный), охватывает длины волн 1300-3000 нм (1,3 — 3 мкм). Частоты здесь измеряются диапазоном 20-215 ТГц. Уровень излучаемого тепла относительно невысок.

Дальний ИК-диапазон наиболее близок к диапазону микроволн. Расклад: 3-1000 мкм. Частотный диапазон 0,3-20 ТГц. Эту группу составляют короткие длины волн на максимальном частотном отрезке. Здесь излучается максимум тепла.

Применение инфракрасной радиации

ИК-лучам нашлось применение в различных сферах. Среди наиболее известных устройств — датчики тепла, тепловизоры, оборудование ночного видения и т.п. Коммуникационным и сетевым оборудованием ИК-свет используется в рамках проводных и беспроводных операций.

Пример работы электронного прибора — тепловизора, принцип действия которого основан на использовании инфракрасного излучения. И это лишь отдельно взятый пример из множества других

Пульты дистанционного управления оснащаются системой ИК-связи ближнего действия, где сигнал передаётся через ИК-светодиоды. Пример: привычная бытовая техника – телевизоры, кондиционеры, проигрыватели. Инфракрасным светом передаются данные по волоконно-оптическим кабельным системам.

Кроме того, излучение ИК-диапазона активно используется исследовательской астрономией для изучения космоса. Именно благодаря ИК-радиации удаётся обнаруживать космические объекты, невидимые глазу человека.