Promieniowanie podczerwone i jego zastosowania

Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,74 mikrona do 2 mm nazywane jest w fizyce promieniowaniem podczerwonym lub promieniami podczerwonymi, w skrócie „IR”. Zajmuje tę część widma elektromagnetycznego, która leży między widzialnym promieniowaniem optycznym (pochodzącym z obszaru czerwonego) a krótkofalowym zakresem częstotliwości radiowych.

Chociaż promieniowanie podczerwone praktycznie nie jest postrzegane przez ludzkie oko jako światło i nie ma określonej barwy, to jednak należy ono do promieniowania optycznego i jest szeroko stosowane w nowoczesnej technice.

Fale podczerwone, które są charakterystyczne, ogrzewają powierzchnie ciał, dlatego promieniowanie podczerwone jest często nazywane również promieniowaniem cieplnym. Cały obszar podczerwieni jest warunkowo podzielony na trzy części:

• obszar dalekiej podczerwieni — o długości fali od 50 do 2000 mikronów;

• obszar średniej podczerwieni — o długości fali od 2,5 do 50 mikronów;

• obszar bliskiej podczerwieni — od 0,74 do 2,5 mikrona.

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w XIX wieku.przez angielskiego astronoma Williama Herschela, a później, w 1802 roku, niezależnie przez angielskiego naukowca Williama Wollastona.

Widma IR

Widma atomowe uzyskane w postaci promieni podczerwonych są liniowe; widma materii skondensowanej — ciągłe; widma molekularne są pasmowe. Wniosek jest taki, że dla promieni podczerwonych, w porównaniu z widzialnymi i ultrafioletowymi obszarami widma elektromagnetycznego, właściwości optyczne substancji, takie jak współczynnik odbicia, transmisja, załamanie, są bardzo różne.

Wiele substancji, mimo że przepuszcza światło widzialne, okazuje się być nieprzezroczystymi dla fal w części zakresu podczerwieni.

Na przykład warstwa wody o grubości kilku centymetrów jest nieprzezroczysta dla fal podczerwonych dłuższych niż 1 mikron iw pewnych warunkach może służyć jako filtr termiczny. A warstwy germanu lub krzemu nie przepuszczają światła widzialnego, ale dobrze przepuszczają promienie podczerwone o określonej długości fali. Promienie dalekiej podczerwieni są łatwo przenoszone przez czarny papier i mogą służyć jako filtr do ich izolacji.

Większość metali, takich jak aluminium, złoto, srebro i miedź, odbija promieniowanie podczerwone o większej długości fali, na przykład przy długości fali podczerwieni 10 mikronów odbicie od metali osiąga 98%. Ciała stałe i ciecze o charakterze niemetalicznym odzwierciedlają tylko część zakresu IR, w zależności od składu chemicznego danej substancji. Ze względu na te cechy oddziaływania promieni podczerwonych z różnymi ośrodkami są one z powodzeniem wykorzystywane w wielu badaniach.

Rozpraszanie w podczerwieni

Fale podczerwone emitowane przez Słońce przechodzące przez ziemską atmosferę są częściowo rozpraszane i tłumione przez cząsteczki i atomy powietrza. Tlen i azot w atmosferze częściowo osłabiają promienie podczerwone, rozpraszając je, ale nie pochłaniają ich całkowicie, ponieważ pochłaniają część promieni widma widzialnego.

Woda, dwutlenek węgla i ozon zawarte w atmosferze częściowo pochłaniają promienie podczerwone, a woda absorbuje je najbardziej, ponieważ jej widma absorpcyjne w podczerwieni mieszczą się w całym obszarze widma w podczerwieni, a widma absorpcyjne dwutlenku węgla mieszczą się tylko w środkowym obszarze .

Warstwy atmosfery w pobliżu powierzchni Ziemi przepuszczają bardzo mało promieniowania podczerwonego, ponieważ dym, pył i woda dodatkowo je osłabiają, rozpraszając energię na swoich cząsteczkach.Im mniejsze cząstki (dym, kurz, woda itp.), tym mniejsze rozpraszanie IR i bardziej widzialne rozpraszanie fal. Efekt ten jest używany w fotografii w podczerwieni.

Źródła promieniowania podczerwonego

Dla nas żyjących na Ziemi Słońce jest bardzo silnym naturalnym źródłem promieniowania podczerwonego, ponieważ połowa jego widma elektromagnetycznego mieści się w zakresie podczerwieni. Lampy żarowe, widmo podczerwieni stanowi do 80% energii promieniowania.

Do sztucznych źródeł promieniowania podczerwonego należą również: łuk elektryczny, lampy wyładowcze i oczywiście domowe grzejniki elementów grzejnych.W nauce do uzyskania fal podczerwonych stosuje się szpilkę Nernsta, włókna wolframowe, a także wysokociśnieniowe lampy rtęciowe, a nawet specjalne lasery IR (szkło neodymowe daje długość fali 1,06 mikrona, a laser helowo-neonowy - 1,15 i 3,39 mikronów, dwutlenek węgla — 10,6 mikronów).

Odbiorniki podczerwieni

Zasada działania odbiorników fal podczerwonych polega na zamianie energii padającego promieniowania na inne formy energii dostępne do pomiaru i wykorzystania. Zaabsorbowane w odbiorniku promieniowanie podczerwone nagrzewa element termoczuły i rejestrowany jest wzrost temperatury.

Fotoelektryczne odbiorniki IR generują napięcie elektryczne i prąd w odpowiedzi na określoną wąską część widma IR, dla którego są przeznaczone do działania, to znaczy fotoodbiorniki IR są selektywne. Dla fal IR w zakresie do 1,2 μm rejestrację fotograficzną przeprowadza się przy użyciu specjalnych emulsji fotograficznych.

Promieniowanie podczerwone jest szeroko stosowane w nauce i technice, zwłaszcza do rozwiązywania praktycznych problemów badawczych. Badane są widma absorpcji i emisji cząsteczek i ciał stałych, które właśnie wpadają w obszar podczerwieni.

Takie podejście do badań nosi nazwę spektroskopii w podczerwieni, która pozwala rozwiązywać problemy strukturalne poprzez wykonywanie ilościowej i jakościowej analizy spektralnej. Obszar dalekiej podczerwieni zawiera emisje spowodowane przejściami między podpłaszczyznami atomowymi. Dzięki widmom IR można badać struktury powłok elektronowych atomów.

I nie mówiąc już o fotografii, kiedy ten sam obiekt sfotografowany najpierw w zakresie widzialnym, a potem w podczerwieni będzie wyglądał inaczej, ponieważ ze względu na różnicę w transmisji, rozpraszaniu i odbiciu dla różnych obszarów widma elektromagnetycznego niektóre elementy i szczegóły w nietypowym trybie fotografowania może całkowicie brakować: na zwykłym zdjęciu czegoś będzie brakować, a na zdjęciu w podczerwieni stanie się to widoczne.

Przemysłowe i konsumenckie zastosowania promieniowania podczerwonego są nie do przecenienia. Służy do suszenia i ogrzewania różnych produktów i materiałów w przemyśle. W domach pomieszczenia są ogrzewane.

Przetworniki elektrooptyczne wykorzystują fotokatody czułe w zakresie podczerwieni widma elektromagnetycznego, co pozwala zobaczyć to, co jest niewidoczne gołym okiem.

Noktowizory pozwalają widzieć w ciemności dzięki naświetlaniu obiektów promieniami podczerwonymi, lornetki na podczerwień - do obserwacji nocnych, celowniki na podczerwień - do celowania w całkowitej ciemności itp. Nawiasem mówiąc, za pomocą promieniowania podczerwonego ty może odtworzyć dokładny standard miernika.

Wysokoczułe odbiorniki fal IR pozwalają określić kierunek różnych obiektów na podstawie ich promieniowania cieplnego, np. działają systemy naprowadzania pocisków rakietowych, które dodatkowo generują własne promieniowanie IR.

Dalmierze i lokalizatory oparte na promieniach podczerwonych pozwalają obserwować niektóre obiekty w ciemności i mierzyć odległość do nich z dużą dokładnością. Lasery na podczerwień są wykorzystywane w badaniach naukowych, do sondowania atmosfery, komunikacji kosmicznej i nie tylko.