Инфрачервени и ултравиолетови лъчи

Инфрачервените и ултравиолетовите лъчи са невидими за човешкото око. Тези лъчения са най-близки по дължина на вълната до видимата светлината, затова имат подобни на нея свойства (фиг.9-1). Повечето от източниците на видима светлина едновременно са източници и на инфрачервени и ултравиолетови лъчи.

Фиг. 9-1. Снимка: https://vemiplast.wordpress.com

1. Инфрачервени лъчи

    През 1800 г. английският физик и астроном Уилям Хершел изследвал с чувствителен термометър топлинното действие на отделните части от спектъра на бялата светлина и установил, че термометърът показва най-висока температура в областта след червената светлина. Това показва, че в тази невидима за човешкото око област има лъчи. Те са наречени инфрачервени ("подчервени") лъчи.







 
   
Уилям Хершел -английски астроном и композитор от немски произход

   

    В спектъра на електромагнитните вълни инфрачервените лъчи заемат областта между червената граница на видимия спектър (с дължина на вълната около 760 nm) и микровълните (около 2 mm). Инфрачервените вълни са невидими за окото, но създават усещане за топлина, тъй като силно се поглъщат от кожата на тяло. Затова често ги наричат топлинни вълни. Основните източници на инфрачервено излъчване са нагретите тела. Например около 50% от излъчената от Слънцето енергия и над 70% от излъчването на освет-лителните лампи с нагреваема волфрамова жичка е в инфрачервената област. Когато температурата на едно тяло е под 500 К, неговото топлинно излъчване почти изцяло е в инфрачервената област. В инфрачервената област излъчват и голяма част от лазерите. Инфрачервените спектри са подобни на спектрите на видимата светлина: състоят се от отделни линии и ивици или са непрекъснати, в зависимост от вида на източника.

 

    Методите за регистриране на инфрачервеното излъчване се основават на преобразуване енергията на инфрачервените лъчи в друг вид енергия. В топлинните приемници лъчението се поглъща и повишава температурата на термочувствителен елемент. Във фотоелектричните приемници погълнатото инфрачервено лъчение предизвиква поява или изменение на електрично напрежение. С помощта на специални инфрачервени уреди (бинокли и др.) инфрачервеното лъчение се преобразува във видима светлина и се извършват нощни наблюдения. Термографията е метод, при който регистрираното от приемниците инфрачервено излъчване на даден обект се трансформира във фотографски образ (или се обработва от компютър). На термографските снимки  областите с различна температура са оцветени в различен цвят и могат да се установят разлики в температурите по-малки от 0,1 °С. В медицината термографията се използва за предварителна диагностика на тумори на гърдите, щитовидната жлеза и други болести, тъй като в заболелите органи се наблюдава изменение на температурата. Термографията е безвредна за пациента, защото той не е подложен на външно облъчване или на друга интервенция (фиг. 9-2).

         

Фиг. 9 - 2. Снимки: https://www.termograma.es

    Много от веществата, които са прозрачни за видимата светлина, не пропускат инфрачервените лъчи, например водата и стъклото поглъщат по-голямата част ст спектъра на инфрачервените лъчи. Обратно, инфрачервените лъчи преминават през германиеви или силициеви пластинки, които са напълно непрозрачни за видимата светлина. В земната атмосфера инфрачервените лъчи се поглъщат главно от водните пари. Част от съдържащите се във въздуха вредни газове, например въглеродният оксид (СО), също селективно поглъщат инфрачервено излъчване с определени дължини на въпната. характерни за всеки газ. По поглъщането на лазерно лъчение с такава дължина на вълната може да се определи концентрацията на газа и по този начин да се контролира замърсеността на въздуха.

    Инфрачервените лъчи намират още много други практически приложения. С високочувствителни приемници от голямо разстояние могат да се откриват обекти, чиято температура е по-висока от температурата на околната среда (например работещи двигатели на самолети, танкове и др.). Разработени са системи за насочване на ракети и снаряди. Инфрачервени лазери се използват за наземни и космически връзки.

2. Ултравиолетови лъчи

    Откриването на ултравиолетовите лъчи е свързано с наблюдението, че сребърните соли (като сребърните халогениди и др.), използвани по-късно във фотографията, потъмняват, когато върху тях попадне слънчева светлина. През 1801 г. германският физик Йохан Вилхелм Ритер забелязва, че виолетови лъчи на самата граница на видимия спектър особено ефективно предизвикват потъмняване на хартия, накисната в сребърен хлорид. Ритер ги нарича „оксидиращи лъчи“ поради стимулираните от тях химични реакции, разграничавайки ги от „топлинните лъчи“ (както тогава са известни инфрачервените лъчи) в другия край на видимия спектър. Скоро се възприема по-простият термин „химически лъчи“, който се използва до края на XIX век. След това термините „химически“ и „топлинни лъчи“ са заменени съответно от „ултравиолетово“ и „инфрачервено“ излъчване.

Фиг. 9 - 3 . Снимка: https://www.multithermsystems.com

 

    Ултравиолетовата част от спектъра се простира от 400 nm до около 0,6 nm. Важен източник на ултравиолетово излъчване е Слънцето (фиг. 9-3). При взаимодействието му с кислорода от горните слоеве на атмосферата (стратосфера) се образува озон (О3), който силно поглъща ултравиолетовото лъчение. Така озоновият слой задържа почти изцяло идващата от Слънцето ултравиолетова радиация с дължина на вълната под 290 nm и предпазва живите организми от вредното й въздействие. Затова сериозни опасения предизвикват данните за намаляване дебелината на озоновия слой и дори образуване на т.нар. „озонова дупка“, което се свързва и с някои човешки дейности: например с изхвърлянето в атмосферата на големи количества фреони - газове, използвани в хладилната техника и др.

    Ултравиолетовото лъчение има специфично биологично действие. В малки дози то е полезно за организма, тъй като способства за образуване на витамин D и оказва стимулиращо влияние върху развитието на костната система на децата. Предизвиква също така изменение на пигментацията на кожата (почерняване). В по-големи дози обаче ултравиолетовото лъчение е опасно за човека, защото предизвиква химично разлагане на органичните вещества и убива живите клетки.

    Голяма част от спектъра на парите на живака е в ултравиолетовата област. Затова живачните лампи се използват в медицината като източници на ултравиолетова светлина. Наричат ги кварцови лампи, защото тръбите им се изготвят от кварц, който, за разлика от стъклото, е прозрачен в ултравиолетовата област (до 200 nm).

    Ултравиолетовото излъчване се използва при луминесцентния анализ - метод за определяне съдържанието на някои вещества в смеси. Изследваната смес се облъчва с ултравиолетова светлина, която се поглъща и предизвиква луминесцентно светене. По спектъра на луминесценция може да се установи наличието на примеси дори когато са с нищожни концентрации (до 1011 g/cm3). Луминесцентният анализ се прилага в промишлеността, биологията и медицината (фиг. 9-4).

Фиг. 9-4. Снимки: https://www.zdraveto.eu и Уикипедия