Какво представляват кохерентните вълни във физиката. Кохерентни вълни на материята
Уилям Хершел пръв забеляза, че зад червения ръб на получения от призмата спектър на Слънцето има невидимо лъчение, което кара термометъра да се нагрява. По-късно това лъчение е наречено термично или инфрачервено.
Близкото инфрачервено лъчение е много подобно на видимата светлина и се открива от същите инструменти. Средният и далечният IR използват болометри за откриване на промени.
Цялата планета Земя и всички обекти на нея, дори ледът, светят в средния инфрачервен диапазон. Благодарение на това Земята не се прегрява от слънчевата топлина. Но не цялата инфрачервена радиация преминава през атмосферата. Има само няколко прозореца на прозрачност, останалата част от радиацията се абсорбира въглероден двуокис, водни пари, метан, озон и други парникови газове, които предотвратяват бързото охлаждане на Земята.
Благодарение на атмосферното поглъщане и топлинното излъчване от обектите, средните и далечните инфрачервени телескопи се извеждат в космоса и се охлаждат до температурата на течен азот или дори хелий.
Инфрачервеният диапазон е един от най-интересните за астрономите. Съдържа космически прах, важен за образуването на звезди и еволюцията на галактиките. IR радиацията преминава през облаци от космически прах по-добре от видимата радиация и позволява да се видят обекти, които са недостъпни за наблюдение в други части на спектъра.
Източници
Фрагмент от едно от така наречените дълбоки полета на Хъбъл. През 1995 г. космически телескоп събира светлина, идваща от една част на небето в продължение на 10 дни. Това направи възможно да се видят изключително слаби галактики на разстояние до 13 милиарда светлинни години (по-малко от един милиард години от Големия взрив). Видимата светлина от такива отдалечени обекти претърпява значително червено изместване и става инфрачервена.
Наблюденията са извършени в регион, далеч от галактическата равнина, където се виждат относително малко звезди. Следователно повечето от регистрираните обекти са галактики различни етапиеволюция.
Гигантската спирална галактика, наричана също M104, се намира в куп галактики в съзвездието Дева и се вижда от нас почти от ръба. Той има огромна централна издутина (сферично удебеляване в центъра на галактиката) и съдържа около 800 милиарда звезди - 2-3 пъти повече от Млечния път.
В центъра на галактиката има свръхмасивна черна дупка с маса от около милиард слънчеви маси. Това се определя от скоростта на движение на звездите близо до центъра на галактиката. В инфрачервения лъч в галактиката ясно се вижда пръстен от газ и прах, в който активно се раждат звезди.
Приемници
Диаметър на основното огледало 85 смизработени от берилий и охладени до температура 5,5 ДА СЕза намаляване на собственото инфрачервено излъчване на огледалото.
Телескопът беше изстрелян през август 2003 г. по програмата Четирите големи обсерватории на НАСА, включително:
- Обсерватория за гама лъчи Комптън (1991–2000 г., 20 keV-30 GeV), вижте Небе при 100 MeV гама лъчи,
- Рентгенова обсерватория Чандра (1999, 100 eV-10 keV),
- Космически телескоп Хъбъл (1990, 100–2100 nm),
- Инфрачервен телескоп Spitzer (2003, 3–180 µm).
Очаква се телескопът Spitzer да има живот около 5 години. Телескопът получава името си в чест на астрофизика Лиман Спицер (1914–97), който през 1946 г., много преди изстрелването на първия сателит, публикува статията „Предимства за астрономията на извънземна обсерватория“ и 30 години по-късно убеждава НАСА и американският Конгрес да започне разработването на космически телескоп Хъбъл.
Небесни ревюта
Близко инфрачервено небе 1–4 µmи в средния инфрачервен диапазон 25 µm(COBE/DIRBE)
В близкия инфрачервен диапазон Галактиката се вижда още по-ясно, отколкото във видимия.
Но в средния инфрачервен обхват Галактиката едва се вижда. Наблюденията са силно затруднени от праха слънчева система. Разположена е по равнината на еклиптиката, която е наклонена към равнината на галактиката под ъгъл от около 50 градуса.
И двете проучвания са получени от инструмента DIRBE (дифузен инфрачервен фонов експеримент) на борда на сателита COBE (Cosmic Background Explorer). Този експеримент, който започна през 1989 г., доведе до пълни картиинфрачервена яркост на небето в диапазона от 1,25 до 240 µm.
Наземно приложение
Устройството се основава на електронно-оптичен преобразувател (EOC), който позволява значително (от 100 до 50 хиляди пъти) да усили слабата видима или инфрачервена светлина.
Лещата създава изображение върху фотокатода, от който, както в случая на PMT, се избиват електрони. След това те се ускоряват от високо напрежение (10–20 kV), се фокусират от електронна оптика (електромагнитно поле със специално избрана конфигурация) и попадат върху флуоресцентен екран, подобен на телевизор. На него изображението се гледа през окуляри.
Ускоряването на фотоелектроните прави възможно в условия на слаба светлина да се използва буквално всеки квант светлина за получаване на изображение, но в пълен мракнеобходима подсветка. За да не разкрият присъствието на наблюдател, те използват близък инфрачервен осветител (760–3000 nm).
Има и устройства, които откриват собственото топлинно излъчване на обектите в средния инфрачервен диапазон (8–14 µm). Такива устройства се наричат термични изображения; те ви позволяват да забележите човек, животно или загрят двигател поради топлинния им контраст с околния фон.
Цялата енергия, консумирана от електрически нагревател, в крайна сметка се превръща в топлина. Значителна част от топлината се отвежда от въздуха, който влиза в контакт с горещата повърхност, разширява се и се издига, така че основно се нагрява таванът.
За да се избегне това, нагревателите са оборудвани с вентилатори, които насочват топлия въздух, например, към краката на човек и помагат за смесване на въздуха в стаята. Но има и друг начин за пренос на топлина към околните обекти: инфрачервено лъчениенагревател. Колкото по-гореща е повърхността и колкото по-голяма е площта й, толкова по-силна е тя.
За да се увеличи площта, радиаторите са направени плоски. Въпреки това температурата на повърхността не може да бъде висока. Други модели нагреватели използват спирала, нагрята до няколкостотин градуса (червена топлина) и вдлъбнат метален рефлектор, който създава насочен поток от инфрачервено лъчение.
През 1800 г. ученият Уилям Хершел обявява откритието си на среща на Кралското общество в Лондон. Той измерва температури извън спектъра и открива невидими лъчи с голяма нагряваща мощност. Той проведе експеримента с помощта на телескопични филтри. Той забеляза, че те поглъщат светлина и топлина от слънчевите лъчи в различна степен.
След 30 години фактът на съществуване невидими лъчи, намиращ се отвъд червената част на видимия слънчев спектър, е безспорно доказано. Французинът Бекерел нарича това лъчение инфрачервено.
Свойства на инфрачервеното лъчение
Спектърът на инфрачервеното лъчение се състои от отделни линии и ленти. Но може и непрекъснато. Всичко зависи от източника на инфрачервените лъчи. С други думи, това, което има значение, е кинетичната енергия или температурата на атома или молекулата. Всеки елемент от периодичната таблица в условията различни температуриТо има различни характеристики.
Например, инфрачервените спектри на възбудени атоми, поради относителното състояние на покой на ядрения сноп, ще имат строго линейни IR спектри. А възбудените молекули са на ивици и произволно разположени. Всичко зависи не само от механизма на суперпозиция на собствените линейни спектри на всеки атом. Но също и от взаимодействието на тези атоми един с друг.
С повишаването на температурата спектралните характеристики на тялото се променят. Така нагретите твърди вещества и течности излъчват непрекъснат инфрачервен спектър. При температури под 300°C радиацията се нагрява твърдоизцяло разположен в инфрачервената област. Както изследването на инфрачервените вълни, така и приложението на най-важните им свойства зависят от температурния диапазон.
Основните свойства на инфрачервените лъчи са абсорбция и допълнително нагряване на телата. Принципът на пренос на топлина от инфрачервени нагреватели се различава от принципите на конвекция или кондукция. Намирайки се в поток от горещи газове, обектът губи известно количество топлина, докато температурата му е по-ниска от температурата на нагрятия газ.
И обратното: ако инфрачервени излъчватели облъчват обект, това не означава, че повърхността му поглъща това лъчение. Освен това може да отразява, абсорбира или предава лъчи без загуба. Почти винаги облъченият обект поглъща част от тази радиация, отразява част и пропуска част.
Не всички светещи обекти или нагрети тела излъчват инфрачервени вълни. Например луминесцентните лампи или пламъкът на газовата печка нямат такова излъчване. Принципът на работа на флуоресцентните лампи се основава на сияние (фотолуминесценция). Неговият спектър е най-близък до дневния спектър, Бяла светлина. Следователно в него почти няма инфрачервено лъчение. И най-високият интензитет на излъчване на пламъка на газовата печка пада върху дължината на вълната син цвят. IR излъчването на изброените нагрети тела е много слабо.
Има и вещества, които са прозрачни за видимата светлина, но не могат да пропускат инфрачервени лъчи. Например слой вода с дебелина няколко сантиметра няма да пропуска инфрачервено лъчение с дължина на вълната, по-голяма от 1 микрон. В този случай човек може да различи предмети, разположени на дъното, с просто око.
Има различни източници на инфрачервено лъчение. В момента те се намират в домакински уреди, системи за автоматизация и сигурност, а също така се използват за сушене на промишлени продукти. Източниците на инфрачервена светлина, когато се използват правилно, не оказват влияние върху човешкото тяло, поради което продуктите са много популярни.
История на откритието
В продължение на много векове изключителни умове изучават природата и действието на светлината.
Инфрачервената светлина е открита в началото на 19 век чрез изследванията на астронома У. Хершел. Същността му беше да се изследват способностите за отопление на различни слънчеви области. Ученият им донесъл термометър и наблюдавал повишаването на температурата. Този процессе наблюдава, когато устройството докосне червената граница. В. Хершел заключава, че има известно излъчване, което не може да се види визуално, но може да се определи с помощта на термометър.
Инфрачервени лъчи: приложение
Те са широко разпространени в човешкия живот и са намерили своето приложение в различни области:
- Война. Съвременните ракети и бойни глави, способни самостоятелно да се насочват към целта, са оборудвани с които са резултат от използването на инфрачервено лъчение.
- Термография. Инфрачервеното лъчение се използва за изследване на прегрети или преохладени зони. Инфрачервените изображения се използват и в астрономията за откриване на небесни тела.
- живот Работата, която е насочена към отопление на интериорни предмети и стени, придоби голяма популярност. След това отделят топлина в пространството.
- Дистанционно. Всички съществуващи дистанционни за телевизори, пещи, климатици и др. доставени инфрачервени лъчи.
- В медицината инфрачервените лъчи се използват за лечение и профилактика. различни заболявания.
Нека да разгледаме къде се използват тези елементи.
Инфрачервени газови горелки
Инфрачервена горелка се използва за отопление на различни помещения.
Първоначално се използва за оранжерии и гаражи (т.е. нежилищни помещения). въпреки това модерни технологииразрешено да се използва дори в апартаменти. Популярно такава горелка се нарича слънчево устройство, тъй като когато е включена, работната повърхност на оборудването прилича на слънчева светлина. С течение на времето такива устройства замениха маслените нагреватели и конвекторите.
Основните функции
Инфрачервената горелка се различава от другите устройства по метода си на нагряване. Топлината се пренася чрез средства, които не са забележими за хората. Тази функция позволява на топлината да прониква не само във въздуха, но и върху предмети от интериора, което впоследствие също повишава температурата в помещението. Инфрачервеният излъчвател не изсушава въздуха, тъй като лъчите са насочени предимно към интериорни предмети и стени. В бъдеще топлината ще се пренася от стени или предмети директно в пространството на стаята и процесът се случва за няколко минути.
Положителни страни
Основното предимство на такива устройства е бързото и лесно затопляне на помещението. Например, затоплянето на хладилна стая до температура от +24ºС ще отнеме 20 минути. По време на процеса няма движение на въздуха, което допринася за образуването на прах и големи замърсители. Поради това инфрачервен излъчвател се инсталира на закрито от хора, които имат алергии.
В допълнение, инфрачервените лъчи, когато удрят повърхност с прах, не причиняват изгаряне и в резултат на това няма миризма на изгорял прах. Качеството на отопление и издръжливостта на устройството зависи от нагревателния елемент. Такива устройства използват керамичен тип.
Цена
Цената на такива устройства е доста ниска и достъпна за всички слоеве от населението. Например, газова горелка струва от 800 рубли. Цяла печка може да бъде закупена за 4000 рубли.
Сауна
Какво е инфрачервена кабина? Това е специална стая, която е изградена от естествени видове дървесина (например кедър). В него са монтирани инфрачервени излъчватели, действащи върху дървото.
При нагряване се отделят фитонциди - полезни компоненти, които предотвратяват развитието или появата на гъбички и бактерии.
Такава инфрачервена кабина се нарича популярно сауна. Температурата на въздуха в помещението достига 45ºС, така че е доста удобно да бъдете в него. Тази температура ви позволява да се затоплите човешкото тялоравномерно и дълбоко. Следователно топлината не влияе сърдечносъдова система. По време на процедурата се премахват натрупаните токсини и отпадъци, метаболизмът в тялото се ускорява (поради бързото движение на кръвта), а тъканите се обогатяват с кислород. Изпотяването обаче не е основното свойство инфрачервена сауна. Тя е насочена към подобряване на благосъстоянието.
Въздействие върху хората
Такива помещения имат благоприятен ефект върху човешкото тяло. По време на процедурата се загряват всички мускули, тъкани и кости. Ускоряването на кръвообращението засяга метаболизма, което спомага за насищането на мускулите и тъканите с кислород. Освен това инфрачервената кабина се посещава за профилактика на различни заболявания. Повечето хора оставят само положителни отзиви.
Отрицателни ефекти от инфрачервеното лъчение
Източниците на инфрачервено лъчение могат да причинят не само положителен ефект върху тялото, но и да му навредят.
При продължително излагане на лъчи капилярите се разширяват, което води до зачервяване или изгаряне. Източниците на инфрачервено лъчение причиняват особено увреждане на органите на зрението - това е образуването на катаракта. В някои случаи човек получава гърчове.
Късите лъчи засягат човешкото тяло, причинявайки влошаване на температурата на мозъка с няколко градуса: притъмняване в очите, световъртеж, гадене. По-нататъшното повишаване на температурата може да доведе до образуване на менингит.
Влошаване или подобряване на състоянието възниква поради интензивност електромагнитно поле. Характеризира се с температура и разстояние до източника на излъчване на топлинна енергия.
Дългите вълни на инфрачервеното лъчение играят специална роля в различни жизнени процеси. Късите имат по-голям ефект върху човешкото тяло.
Как да се предпазим от вредното въздействие на инфрачервените лъчи?
Както беше посочено по-рано, отрицателно въздействиекраткотрайното топлинно излъчване засяга човешкото тяло. Нека да разгледаме примери, в които IR радиацията е опасна.
Днес инфрачервените нагреватели, които излъчват температури над 100ºC, могат да бъдат вредни за здравето. Сред тях са следните:
- Индустриално оборудване, излъчващо лъчиста енергия. За предотвратяване отрицателно въздействие, трябва да се използват специално облекло и топлозащитни елементи, и превантивни действиясред работещия персонал.
- Инфрачервено устройство. Най-известният нагревател е печката. Той обаче отдавна е излязъл от употреба. Все по-често електрическите инфрачервени нагреватели се използват в апартаменти, селски къщи и вили. Дизайнът му включва нагревателен елемент (под формата на спирала), който е защитен от специален топлоизолационен материал. Такова излагане на лъчи не вреди към човешкото тяло. Въздухът в отопляемата зона не се изсушава. Можете да затоплите стаята за 30 минути. Първо, инфрачервеното лъчение загрява предмети, а след това загрява целия апартамент.
Инфрачервеното лъчение се използва широко в различни области, от промишлеността до медицината.
С тях обаче трябва да се работи внимателно, тъй като лъчите могат да имат отрицателен ефект върху хората. Всичко зависи от дължината на вълната и разстоянието до отоплителното устройство.
И така, разбрахме какви източници на инфрачервено лъчение съществуват.
Инфрачервено лъчение- електромагнитно лъчение, заемащо спектралната област между червения край на видимата светлина (с дължина на вълната λ = 0,74 μm) и микровълновото лъчение (λ ~ 1-2 mm).
Инфрачервеното лъчение е открито през 1800 г. от английския учен У. Хершел.
Сега цялата гама от инфрачервено лъчение е разделена на три компонента:
- късовълнова област: λ=0.74 - 2.5 µm;
- област на средна вълна: λ=2.5 - 50 µm;
- дълговълнова област: λ=50 - 2000 µm;
Наскоро дълговълновият ръб на този диапазон беше отделен в отделен, независим диапазон от електромагнитни вълни - терахерцово излъчване(субмилиметрова радиация).
Инфрачервеното лъчение се нарича още „топлинно“ лъчение, тъй като всички тела, твърди и течни, нагрети до определена температура, излъчват енергия в инфрачервения спектър. В този случай дължините на вълните, излъчвани от тялото, зависят от температурата на нагряване: колкото по-висока е температурата, толкова по-къса е дължината на вълната и толкова по-висок е интензитетът на излъчване. Спектърът на излъчване на абсолютно черно тяло при относително ниски (до няколко хиляди Келвина) температури се намира главно в този диапазон.
Използване
IR (инфрачервените) диоди и фотодиоди се използват широко в дистанционни управления, системи за автоматизация, системи за сигурност и др. Те не отвличат човешкото внимание поради своята невидимост. Инфрачервените излъчватели се използват в индустрията за сушене на боядисани повърхности. Инфрачервеният метод на сушене има значителни предимства пред традиционния конвекционен метод. На първо място, това, разбира се, е икономически ефект. Скоростта и консумираната енергия при инфрачервеното сушене са по-малки от същите показатели за традиционни методи. Положителен страничен ефекттака и стерилизацията хранителни продукти, повишавайки устойчивостта на корозия на боядисаните повърхности. Недостатък е значително по-голямата неравномерност на нагряване, която в някои случаи технологични процесинапълно неприемливо. Особеността на използването на инфрачервено лъчение в Хранително-вкусовата промишленосте възможността за проникване на електромагнитна вълна в капилярно-порести продукти като зърно, зърнени култури, брашно и др. на дълбочина до 7 мм. Тази стойност зависи от естеството на повърхността, структурата, свойствата на материала и честотните характеристики на излъчването. Електромагнитна вълна на определен честотен диапазонима не само термичен, но и биологичен ефект върху продукта, като спомага за ускоряване на биохимичните трансформации в биологичните полимери (
Инфрачервеното лъчение се използва активно в медицината и то полезни свойстваса забелязани много преди появата съвременни изследвания. Още в древността топлината на въглища, нагрята сол, метал и други материали са били използвани за лечение на рани, натъртвания, измръзвания, туберкулоза и много други заболявания.
Изследванията от XX-XXI век доказват, че инфрачервеното лъчение има известен ефект върху външната обвивка и вътрешни органи, което позволява да се използва с лечебна и профилактична цел.
Въздействието на инфрачервеното лъчение върху тялото
Инфрачервените лъчи не само затоплят, но само малцина знаят за това. След откриването на инфрачервеното лъчение от Хершел през 1800 г., учените и лекарите са идентифицирали следните видове ефекти върху човешкото тяло:
- активиране на метаболизма;
- разширяване на кръвоносните съдове, включително капиляри;
- активиране на капилярното кръвообращение;
- спазмолитичен ефект;
- аналгетичен ефект;
- противовъзпалителен ефект;
- активиране на реакциите вътре в клетката.
Когато се използва в дози, излагането на инфрачервени лъчи има общ здравословен ефект. Вече днес са разработени много устройства, които се използват в стаите за физиотерапия.
Естествено, експозицията трябва да се извършва в дози, за да се избегнат прегряване, изгаряния и други негативни реакции.
Методи за използване на инфрачервени лъчи
Тъй като инфрачервените лъчи разширяват кръвоносните съдове и ускоряват притока на кръв, те се използват за подобряване и стимулиране на кръвообращението. Когато дълговълновите инфрачервени лъчи са насочени към кожата, нейните рецептори се дразнят, което предизвиква реакция в хипоталамуса, изпращайки сигнал към гладките мускули да се „отпуснат“ кръвоносни съдове. В резултат на това капилярите, вените и артериите се разширяват и кръвният поток се ускорява.
На инфрачервеното лъчение реагират не само стените на кръвоносните съдове, но и клетъчно нивоИма ускоряване на метаболизма, както и подобряване на неврорегулаторните процеси.
Излагането на инфрачервени лъчи играе безценна роля за подобряване на имунитета. Благодарение на повишеното производство на макрофагоцити, фагоцитозата се ускорява и имунитетът на човек се укрепва на ниво течности и клетки. Успоредно с това има стимулиране на синтеза на аминокиселини, както и повишено производство на ензими и хранителни вещества.
Отбелязан е и дезинфекционен ефект, инфрачервените лъчи убиват редица бактерии в човешкото тяло и неутрализират ефектите на някои вредни вещества.
Медицински проблеми, които могат да бъдат решени с инфрачервено лъчение
Инфрачервената терапия се използва като част от лечението, тъй като ви позволява да разрешите следните ефекти:
- тежестта на болката намалява;
- синдромът на болката изчезва;
- водно-солевият баланс се възстановява;
- паметта се подобрява;
- има ефект на лимфен дренаж;
- кръвообращението (включително церебрално) и кръвоснабдяването на тъканите се нормализират;
- кръвното налягане се нормализира;
- токсините и солите на тежките метали се елиминират по-бързо;
- производството на ендорфин и мелатонин се увеличава;
- производството на хормони се нормализира;
- унищожават се патогенни организми и гъбички;
- растежът на раковите клетки се потиска;
- има антинуклеарен ефект;
- проявява се дезодориращ ефект;
- имунната система се възстановява;
- Хипертонусът и повишеното мускулно напрежение се облекчават;
- емоционалното напрежение изчезва;
- Умората се натрупва по-малко;
- сънят се нормализира;
- функциите на вътрешните органи се нормализират.
Болести, които се лекуват с инфрачервено лъчение
Естествено, такъв мащабен положителен ефект се използва активно за лечение на цял набор от заболявания:
- бронхиална астма;
- грип;
- пневмония;
- онкологични заболявания;
- образуване на сраствания;
- аденом;
- пептична язва;
- паротит;
- гангрена;
- затлъстяване;
- флебюризъм;
- солни отлагания;
- шпори, мазоли, мазоли;
- кожни заболявания;
- съдови заболявания;
- лошо зарастващи рани;
- изгаряния, измръзване;
- заболявания на периферната нервна система;
- парализа;
- рани от залежаване.
Поради факта, че метаболизмът се активира и кръвотокът се нормализира, включително в капилярите, органите и тъканите се възстановяват много по-бързо и се връщат към нормален режимработа.
При редовно излагане на тялото на инфрачервени лъчи се получава обратно развитие възпалителни процеси, регенерация на тъканите, антиинфекциозна защита и повишаване на местната устойчивост.
Когато излъчващите устройства се използват заедно с лекарстваи физиотерапевтични процедури, е възможно да се постигне положителна динамика 1,5-2 пъти по-бързо. Възстановяването е по-бързо и вероятността от рецидив е намалена.
Отделна тема е използването на инфрачервена терапия при пациенти със затлъстяване. Тук основният ефект се постига чрез нормализиране на метаболизма, в т.ч клетъчен метаболизъм. Освен това нагряването на повърхността на тялото допринася за повече бързо освобождаванеот натрупаната мастна маса. IR радиацията се използва заедно с диета и медикаментозно лечение.
Инфрачервено лъчение в спортната медицина
Изследвания в областта ефективни средствавъзстановяване от наранявания са показали, че инфрачервените лъчи ускоряват заздравяването на наранявания. Практическите резултати са доста впечатляващи, спортистите са показали такива положителни промени.