Инфракрасное излучение

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ВЕЩЕСТВОМ

В начале любого процесса взаимодействия света с вещест­вом находится акт поглощения фотона электроном. Если энер­гия фотона больше работы выхода электрона из атома, то про­исходит фотоэффект, который приводит к ионизации атомов и разрывам химических связей между атомами в молекулах. Фотоны с меньшей энергией переводят атомные электроны из основного состояния на более высокие энергетические уровни, что приводит к возбуждению атомов и молекул. Однако атомы и молекулы, как правило, не могут долго находиться в возбуж­денном состоянии и передают избыточную энергию окружаю­щей среде в одном из следующих процессов.

1. Безызлучательный переход в основное состояние, при ко­
тором энергия возбуждения передается окружающим молеку­
лам и в конечном счете переходит в теплоту. Точно так жг
переходит в теплоту и энергия электронов, переведенных в ос­
новное состояние в результате фотоэффекта, если эти элект­
роны остаются внутри облучаемого тела.

2. Фотохимическая реакция, т. е. реакция, обусловленная
возбуждением молекулы фотоном или ионизацией молекулы
при вылете из нее фотоэлектрона.

3. Люминесценция — переход электронов в основное состоя­ние в молекуле с испусканием одного или последовательно не­скольких фотонов.

Инфракрасным (ИК) называют электромагнитное излуче­ние, занимающее область между красной границей видимого света (760 нм) и коротковолновым радиоизлучением (Х=\ — —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 = = /Д_м, где / = 0,289-10~² м-К — постоянная Вина. Подставляя сюда значения граничных волн ИК спектра, т. е. li_M = 760 нм и Ягм = 2 мм, получаем: Ti = 3800 К и Т₂= 1,45 К-

Для регистрации и измерения ИК излучения используют приемники двух типов: тепловые и фотоэлектрические (см. гл. II), 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 ви-

димого 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 И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО В ВЕТЕРИНАРИИ

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 обладакл 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 на животное 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, достигая подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Температура тех слоев кожи, в которых излучение поглощается, повышается, что приводит к раздражению содер жащихся 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 и ветери­нарной 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 свойств'; 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.

Большое распространение получили установки для инфра­красного обогрева помещений, в которых находятся сельскохо­зяйственные животные, особенно молодняк. В ранний постна-тальный период у молодняка еще не стабилизирована физио­логическая терморегуляция, и, кроме того, для обсыхания и эн­догенного поддержания теплового баланса молодняк должен поглощать больше энергии на единицу массы, чем взрослые животные. Искусственный обогрев тела помогает молодняку быстрее адаптироваться к условиям внешней среды.

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 К.ГД, 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 X_v = 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 па 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.

Изменения, происходящие с нуклеиновыми кислотами, с молекулами ДНК, влияют на процессы жизнедеятельности кле­ток, на их рост и деление, и могут приводить к гибели клеток и одноклеточных организмов — бактерий. В зависимости от длины волны и от своей структуры, разные бактерии обладают различной чувствительностью к облучению. Так, гибель наи­большего количества стафилококков происходит при длинах волн порядка 265 нм, Н. соП — при 251 им и т. п. Ультрафио­летовые лучи вызывают также разрушение вирусов и бактерио­фагов, они обезвреживают некоторые бактериальные токсины (например, яд кобры) и ряд других токсичных веществ. Одна­ко для гибели клеток требуется довольно большая доза облу­чения. Так, для гибели одной клетки Е. colt нужно в среднем 2-10⁶ фотонов.

Бактерицидное действие УФ облучения используют для обеззараживания воздуха в закрытых помещениях. Такую са­нацию воздушной среды применяют в операционных и перевя­зочных, что резко повышает хирургическую асептику. Бакте­рицидный эффект УФ облучения широко используют в про­мышленном птицеводстве, так как из-за высокой концентрации поголовья создается опасность аэрогенных инфекций вследствие микробной загрязненности воздуха в птичниках. Бактерицид­ное облучение для санации воздушной среды при выращива­нии цыплят показало, что облучение воздуха 3 раза в день по 5—25 мин приводит к значительному повышению сохранности цыплят и увеличению живой массы по сравнению с цыплятами в контрольных помещениях. Ультрафиолетовому облучению в целях дезинфекции подвергают приточный и вытяжной воздух изоляторов, карантинных и других помещений в животноводче­ских комплексах. Помимо дезинфицирующего действия, УФ облучение способствует улучшению ионного состава воздуха (увеличивает концентрацию легких аэроионов), снижению ко­личества сероводорода и двуокиси углерода. При работе источ­ников УФ излучения образуется озон, действующий в качество окислителя газовых составляющих вытяжного воздуха живот­новодческих помещений, обладающих дурным запахом.

Действие ультрафиолета на животных начинается с его по­глощения в коже. Для того чтобы облучение могло вызвать биологические эффекты, необходимо проникновение его глубже рогового слоя кожи, в зародышевый слой эпидермиса, приле­гающий собственно к коже (дерме), в которой проходят крове­носные сосуды и нервы. У человека лучи с длиной, волны ме­нее 300 нм не проникают глубже эпидермиса (— 0,5 мм). У животных с более толстым роговым слоем излучение может и не доходить до эпидермиса, кроме того, ему мешает и воло-

Ответная реакция кожи на облучение — пигментация (за-гар). Кожный пигмент меланин сосредоточен в самых нижних слоях эпидермиса. Проникающие в роговой слой лучи с длиной волны 200—250 им вызывают только эритему; излучение с дли­ной волны 250—270 им проходит через роговой слон, обуслов­ливая пигментацию и эритему; еще более обильную пигмента­цию и эритему вызывает излучение с длиной волны 270— 320 им, которое проникает до сосудистого слоя и стимулирует работу жировых желез и нервных окончаний. Наконец, излу­чение с длиной волны 320—390 нм проходит через дерму, при­водя к пигментации, чаще без предварительной эритемы. Роль пигментации, как впрочем и механизм пигментации, изучена еще недостаточно. Возможно, что меланин задерживает актив­ные осколки разрушенных молекул, не допуская их попадания в кровь. Действие ультрафиолетового облучения не ограничи­вается кожей, несмотря на то что оно само в глубь организма не попадает. Продукты фотолиза, распространяясь по капилля­рам, раздражают нервные окончания кожи и через централь­ную нервную систему воздействуют на все органы в той¹ или иной степени. Установлено, что в нервах, отходящих от облу­ченных участков кожи, частота электрических импульсов по­вышается. Действие облучения усиливается, если кожу пред­варительно смочить водой, облучить высокочастотным электри­ческим полем или ультразвуком. Это лишний раз указывает на то, что первичное действие ультрафиолетового облучения начи­нается в коже и сопровождается общим усилением обмена ве­ществ и повышением иммунобиологического состояния организ-

ма, а это, в свою очередь, ведет к ускорению процессов расса­сывания патологических продуктов и регенерации тканей. По­этому ультрафиолетовое облучение в ветеринарии применяют при лечении маститов и некоторых других воспалительных про­цессов.

Из других биологических эффектов ультрафиолетового облу­чения следует отметить образование витамина D, который спо­собствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, входя­щего в состав костей и выполняющего ряд существенных физио­логических функций. При недостатке витамина D кальций, вхо­дящий в состав пищи, не усваивается и потребность в нем вос­полняется за счет кальция костей, а это ведет к рахиту. У боль­ных рахитом детей и молодняка сельскохозяйственных живот­ных нарушается формирование скелета, кости становятся гиб­кими, дети перестают ходить и расти. Витамин D содержится в мясе и жире животных, однако он может образовываться и в самом организме под действием ультрафиолета с длинами волн от 280 до 315 нм. Облучение молодняка животных и пти­цы находит широкое применение в промышленном животно­водстве. Наиболее эффективно комбинированное облучение ультрафиолетом, инфракрасными лучами и видимым светом.

Исследования последних лет показали перспективность уль-^трафиолетовой аутогемотерапии, т. е. облучения крови с целью стимуляции защитных свойств организма животных при раз­личных внутренних болезнях, а также при симптоматическом бесплодии. Кровь для облучения! берут из яремной вены, сме­шивают с антикоагулянтом, облучают в кварцевых кюветах и вводят обратно в кровеносный сосуд этого же животного. Количество облученной крови рекомендуется брать из расчета 1—2 мл на 1 кг массы животного.

Следует отметить и вредное действие УФ облучения, осо­бенно на глаза, поскольку слизистая оболочка глаза (конъ­юнктива) не имеет защитного рогового слоя, и поэтому глаз более чувствителен к ультрафиолету, чем кожа. Ультрафиоле­товые лучи, достигая хрусталика, при определенных дозах вы­зывают его помутнение — катаракту. Поэтому все работы с ультрафиолетом необходимо проводить в защитных очках.

Дата добавления: 2014-01-05