Az infravörös sugárzás és alkalmazásai

A 0,74 mikron és 2 mm közötti hullámhosszú elektromágneses sugárzást a fizikában infravörös sugárzásnak vagy infravörös sugárzásnak nevezik, rövidítve "IR". Az elektromágneses spektrumnak azt a részét foglalja el, amely a látható optikai sugárzás (a vörös tartományból származik) és a rövidhullámú rádiófrekvencia-tartomány között helyezkedik el.

Bár az infravörös sugárzást az emberi szem gyakorlatilag nem érzékeli fényként, és nincs konkrét színe, ennek ellenére az optikai sugárzáshoz tartozik, és a modern technológia széles körben alkalmazza.

A jellegzetes infravörös hullámok felmelegítik a testek felületét, ezért az infravörös sugárzást gyakran hősugárzásnak is nevezik. A teljes infravörös régió feltételesen három részre oszlik:

• távoli infravörös tartomány - 50 és 2000 mikron közötti hullámhosszal;

• középső IR régió - 2,5 és 50 mikron közötti hullámhosszal;

• közeli infravörös tartomány - 0,74-2,5 mikron.

Az infravörös sugárzást az 1800-as években fedezték fel.William Herschel angol csillagász, majd 1802-ben önállóan William Wollaston angol tudós.

IR spektrumok

Az infravörös sugarak formájában kapott atomspektrumok lineárisak; kondenzált anyag spektruma – folytonos; a molekulaspektrumok sávosak. A következtetés az, hogy az infravörös sugarak esetében az elektromágneses spektrum látható és ultraibolya tartományához képest az anyagok optikai tulajdonságai, például a visszaverődési együttható, az áteresztés, a törés nagyon eltérőek.

Sok anyag, bár átereszti a látható fényt, átlátszatlannak bizonyul az infravörös tartomány egy részének hullámaira.

Például egy több centiméter vastag vízréteg átlátszatlan az 1 mikronnál hosszabb infravörös hullámok számára, és bizonyos körülmények között hővédő szűrőként is használható. A germánium vagy a szilícium rétegei pedig nem a látható fényt, hanem jól áteresztik egy bizonyos hullámhosszú infravörös sugarakat. A távoli infravörös sugarakat a fekete papír könnyen továbbítja, és szűrőként szolgálhat az elkülönítésükhöz.

A legtöbb fém, mint például az alumínium, az arany, az ezüst és a réz, hosszabb hullámhosszú infravörös sugárzást veri vissza, például 10 mikronos infravörös hullámhosszon a fémekről való visszaverődés eléri a 98%-ot. A nem fémes szilárd anyagok és folyadékok az IR tartománynak csak egy részét tükrözik, az adott anyag kémiai összetételétől függően. Az infravörös sugarak különféle közegekkel való kölcsönhatásának ezen jellemzői miatt számos tanulmányban sikeresen használják őket.

Infravörös szórás

A Föld légkörén áthaladó Nap által kibocsátott infravörös hullámokat részben szétszórják és légmolekulák és atomok gyengítik. A légkörben lévő oxigén és nitrogén részben gyengíti az infravörös sugarakat, szórja őket, de nem nyeli el teljesen, mivel elnyeli a látható spektrum sugarainak egy részét.

A légkörben lévő víz, szén-dioxid és ózon részben nyeli el az infravörös sugarakat, és a víz nyeli el a legtöbbet, mert infravörös abszorpciós spektruma az infravörös spektrum teljes tartományára esik, a szén-dioxid abszorpciós spektruma pedig csak a középső tartományra esik. .

A légkör Föld felszínéhez közeli rétegei az infravörös sugárzásból nagyon keveset adnak át, mivel a füst, a por és a víz tovább gyengíti azt, szétszórva az energiát a részecskéire. Minél kisebbek a részecskék (füst, por, víz, stb.), kevesebb IR szórás és jobban látható hullámhossz szórás. Ezt az effektust infravörös fotózásnál használják.

Infravörös sugárzás forrásai

A Földön élők számára a Nap az infravörös sugárzás nagyon erős természetes forrása, mivel elektromágneses spektrumának fele az infravörös tartományba esik. Izzólámpák, az infravörös spektrum a sugárzási energia 80%-át teszi ki.

Ezenkívül az infravörös sugárzás mesterséges forrásai: elektromos ív, gázkisülési lámpák és természetesen a fűtőelemek háztartási fűtőberendezései.A tudományban az infravörös hullámok előállításához a Nernst tűt, a volfrámszálakat, valamint a nagynyomású higanylámpákat és még speciális IR lézereket is használnak (a neodímium üveg 1,06 mikron hullámhosszt ad, a hélium-neon lézer pedig 1,15 és 3,39). mikron, szén-dioxid – 10,6 mikron).

IR vevők

Az infravörös hullám vevők működési elve a beeső sugárzás energiájának más, mérésre és felhasználásra rendelkezésre álló energiaformákká történő átalakításán alapul. A vevőben elnyelt infravörös sugárzás felmelegíti a hőérzékeny elemet, és a hőmérséklet emelkedését rögzíti.

A fotoelektromos infravörös vevők elektromos feszültséget és áramot állítanak elő az IR spektrum egy meghatározott szűk részére válaszul, amelyre tervezték őket, vagyis az IR fotoelektromos vevők szelektívek. Az 1,2 μm-ig terjedő tartományban lévő infravörös hullámok esetén a fényképes regisztrációt speciális fényképészeti emulziók segítségével végezzük.

Az infravörös sugárzást széles körben használják a tudományban és a technológiában, különösen gyakorlati kutatási problémák megoldására. Az infravörös tartományba éppen eső molekulák és szilárd anyagok abszorpciós és emissziós spektrumait tanulmányozzák.

Ezt a kutatási megközelítést infravörös spektroszkópiának nevezik, amely lehetővé teszi szerkezeti problémák megoldását kvantitatív és kvalitatív spektrális elemzéssel. A távoli infravörös tartomány az atomalsíkok közötti átmenetek által okozott kibocsátásokat tartalmazza. Az IR spektrumoknak köszönhetően tanulmányozhatja az atomok elektronhéjának szerkezetét.

És nem is beszélve a fotózásról, amikor ugyanaz a tárgy, amelyet először a látható, majd az infravörös tartományban fényképeznek, másképp fog kinézni, mert az elektromágneses spektrum különböző területeire vonatkozó transzmissziós, szórási és visszaverődési különbségek miatt egyes elemek és részletek egy szokatlan fényképezési módban teljesen hiányozhat: egy hétköznapi fotón valami hiányzik, az infravörös fotón pedig láthatóvá válik.

Az infravörös sugárzás ipari és fogyasztói felhasználását nem lehet alábecsülni. Az iparban különféle termékek és anyagok szárítására és melegítésére használják. A házakban a helyiségek fűtöttek.

Az elektro-optikai jelátalakítók fotokatódokat használnak, amelyek érzékenyek az elektromágneses spektrum infravörös tartományára, lehetővé téve, hogy lássák azt, ami szabad szemmel láthatatlan.

Az éjjellátó készülékek lehetővé teszik a sötétben való látást a tárgyak infrasugarakkal történő besugárzása miatt, infratávcső - éjszakai megfigyeléshez, infravörös irányzék - teljes sötétségben történő célzáshoz, stb. Egyébként az infravörös sugárzás segítségével képes reprodukálni a pontos mérőszabványt.

Az infravörös hullámok rendkívül érzékeny vevői lehetővé teszik a különböző objektumok irányának meghatározását hősugárzásuk alapján, például rakétavezető rendszerek működnek, amelyek ráadásul saját infravörös sugárzást is generálnak.

Az infravörös sugarakon alapuló távolságmérők és lokátorok lehetővé teszik egyes objektumok sötétben történő megfigyelését és nagy pontosságú távolságmérését. Az infravörös lézereket tudományos kutatásban, légkör szondázására, űrkommunikációra stb. használják.