Infrardeče sevanje in njegova uporaba

Elektromagnetno sevanje z valovno dolžino od 0,74 mikrona do 2 mm se v fiziki imenuje infrardeče sevanje ali infrardeči žarki, skrajšano «IR». Zavzema tisti del elektromagnetnega spektra, ki leži med vidnim optičnim sevanjem (ki izvira iz rdečega območja) in kratkovalovnim radiofrekvenčnim območjem.

Čeprav infrardečega sevanja človeško oko praktično ne zaznava kot svetlobo in nima posebne barve, kljub temu spada med optična sevanja in se v sodobni tehnologiji pogosto uporablja.

Infrardeče valovanje, ki je značilno, segreva površine teles, zato infrardeče sevanje pogosto imenujemo tudi toplotno sevanje. Celotno infrardeče območje je pogojno razdeljeno na tri dele:

• daleč infrardeče območje - z valovno dolžino od 50 do 2000 mikronov;

• območje srednjega IR - z valovno dolžino od 2,5 do 50 mikronov;

• bližnje infrardeče območje - od 0,74 do 2,5 mikronov.

Infrardeče sevanje je bilo odkrito v 19. stoletju.angleški astronom William Herschel, kasneje, leta 1802, neodvisno pa angleški znanstvenik William Wollaston.

IR spektri

Atomski spektri, dobljeni v obliki infrardečih žarkov, so linearni; spektri kondenzirane snovi — zvezni; molekularni spektri so trakasti. Zaključek je, da so pri infrardečih žarkih v primerjavi z vidnim in ultravijoličnim področjem elektromagnetnega spektra optične lastnosti snovi, kot so koeficient odboja, prepustnosti, loma, zelo različne.

Mnoge snovi, čeprav prepuščajo vidno svetlobo, se izkažejo za neprosojne za valove v delu infrardečega območja.

Na primer, nekaj centimetrov debela plast vode je neprozorna za infrardeče valove, daljše od 1 mikrona, in se pod nekaterimi pogoji lahko uporablja kot toplotni zaščitni filter. In plasti germanija ali silicija ne prepuščajo vidne svetlobe, dobro pa prepuščajo infrardeče žarke določene valovne dolžine. Daljnje infrardeče žarke zlahka prepušča črni papir in lahko služi kot filter za njihovo izolacijo.

Večina kovin, kot so aluminij, zlato, srebro in baker, odbija infrardeče sevanje z daljšo valovno dolžino, na primer pri infrardeči valovni dolžini 10 mikronov doseže odboj od kovin 98%. Trdne snovi in ​​tekočine nekovinske narave odražajo le del območja IR, odvisno od kemične sestave določene snovi. Zaradi teh značilnosti interakcije infrardečih žarkov z različnimi mediji se uspešno uporabljajo v številnih študijah.

Infrardeče sipanje

Infrardeče valove, ki jih oddaja Sonce, ki gredo skozi Zemljino atmosfero, delno razpršijo in oslabijo molekule in atomi zraka. Kisik in dušik v ozračju delno oslabita infrardeče žarke, jih razpršita, vendar jih ne absorbirata popolnoma, saj absorbirata del žarkov vidnega spektra.

Voda, ogljikov dioksid in ozon, ki jih vsebuje ozračje, delno absorbirajo infrardeče žarke, voda pa jih najbolj absorbira, ker njeni infrardeči absorpcijski spektri padajo čez celotno področje infrardečega spektra, absorpcijski spektri ogljikovega dioksida pa le v srednjem območju. .

Plasti atmosfere blizu zemeljskega površja prepuščajo zelo malo infrardečega sevanja, saj ga dim, prah in voda še dodatno oslabijo in razpršijo energijo na svoje delce.Manjši ko so delci (dim, prah, voda itd.), tem manj IR sipanja in več vidnega sipanja valovne dolžine. Ta učinek se uporablja pri infrardeči fotografiji.

Viri infrardečega sevanja

Za nas, ki živimo na Zemlji, je Sonce zelo močan naravni vir infrardečega sevanja, saj je polovica njegovega elektromagnetnega spektra v infrardečem območju. Pri žarnicah z žarilno nitko je infrardeči spekter do 80 % energije sevanja.

Tudi umetni viri infrardečega sevanja vključujejo: električni oblok, plinske sijalke in seveda gospodinjske grelnike grelnih elementov.V znanosti se za pridobivanje infrardečih valov uporabljajo Nernstov zatič, volframove nitke, pa tudi visokotlačne živosrebrne žarnice in celo posebni IR laserji (neodimsko steklo daje valovno dolžino 1,06 mikrona, helij-neonski laser pa 1,15 in 3,39 mikrona). mikronov, ogljikov dioksid - 10,6 mikronov).

IR sprejemniki

Načelo delovanja sprejemnikov infrardečih valov temelji na pretvorbi energije vpadnega sevanja v druge oblike energije, ki so na voljo za merjenje in uporabo. Infrardeče sevanje, absorbirano v sprejemniku, segreje termoobčutljivi element in zabeleži se dvig temperature.

Fotoelektrični IR sprejemniki ustvarjajo električno napetost in tok kot odgovor na določen ozek del IR spektra, za katerega so zasnovani, da delujejo, kar pomeni, da so IR fotoelektrični sprejemniki selektivni. Za IR valove v območju do 1,2 μm se fotografska registracija izvaja s posebnimi fotografskimi emulzijami.

Infrardeče sevanje se pogosto uporablja v znanosti in tehnologiji, zlasti za reševanje praktičnih raziskovalnih problemov. Preučujejo se absorpcijski in emisijski spektri molekul in trdnih snovi, ki šele padejo v infrardeče območje.

Ta pristop k raziskovanju se imenuje infrardeča spektroskopija, ki omogoča reševanje strukturnih problemov z izvajanjem kvantitativne in kvalitativne spektralne analize. Daljnje infrardeče območje vsebuje emisije, ki jih povzročajo prehodi med atomskimi podravni. Zahvaljujoč IR spektrom lahko preučujete strukture elektronskih lupin atomov.

In da ne omenjamo fotografije, ko bo isti objekt, fotografiran najprej v vidnem in nato v infrardečem območju, videti drugače, saj zaradi razlike v prepustnosti, sipanju in odboju za različna področja elektromagnetnega spektra, nekateri elementi in podrobnosti v neobičajnem načinu fotografiranja lahko popolnoma manjka: na navadni fotografiji bo nekaj manjkalo, na infrardeči fotografiji pa bo postalo vidno.

Industrijske in potrošniške uporabe infrardečega sevanja ni mogoče podcenjevati. Uporablja se za sušenje in ogrevanje različnih izdelkov in materialov v industriji. V hišah so prostori ogrevani.

Elektrooptični pretvorniki uporabljajo fotokatode, ki so občutljive v infrardečem območju elektromagnetnega spektra, kar vam omogoča, da vidite, kar je s prostim očesom nevidno.

Naprave za nočno opazovanje vam omogočajo, da vidite v temi zaradi obsevanja predmetov z infrardečimi žarki, infrardečimi daljnogledi - za nočno opazovanje, infrardečimi namerili - za ciljanje v popolni temi itd. Mimogrede, s pomočjo infrardečega sevanja lahko lahko reproducira natančen merilni standard.

Visoko občutljivi sprejemniki IR valov omogočajo določanje smeri različnih predmetov po njihovem toplotnem sevanju, na primer delujejo sistemi za vodenje raket, ki dodatno ustvarjajo lastno IR sevanje.

Daljinomeri in lokatorji, ki temeljijo na infrardečih žarkih, omogočajo opazovanje nekaterih predmetov v temi in merjenje razdalje do njih z visoko natančnostjo. IR laserji se uporabljajo v znanstvenih raziskavah, za sondiranje atmosfere, za vesoljske komunikacije itd.