double arrow

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ


ИК

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.







Сейчас читают про: