Infračervené žiarenie a jeho aplikácie

Elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,74 mikrónov až 2 mm sa vo fyzike nazýva infračervené žiarenie alebo infračervené lúče, skrátene „IR“. Zaberá tú časť elektromagnetického spektra, ktorá leží medzi viditeľným optickým žiarením (vychádzajúcim z červenej oblasti) a krátkovlnným rádiofrekvenčným rozsahom.

Infračervené žiarenie síce ľudské oko prakticky nevníma ako svetlo a nemá žiadnu špecifickú farbu, napriek tomu patrí k optickému žiareniu a má široké využitie v modernej technike.

Infračervené vlny, ktoré sú charakteristické, ohrievajú povrchy telies, preto sa infračervené žiarenie často nazýva aj tepelné žiarenie. Celá infračervená oblasť je podmienene rozdelená na tri časti:

• ďaleko infračervená oblasť — s vlnovými dĺžkami od 50 do 2000 mikrónov;

• stredná IR oblasť — s vlnovými dĺžkami od 2,5 do 50 mikrónov;

• blízka infračervená oblasť - od 0,74 do 2,5 mikrónov.

Infračervené žiarenie bolo objavené v roku 1800.anglickým astronómom Williamom Herschelom a neskôr, v roku 1802, nezávisle anglickým vedcom Williamom Wollastonom.

IČ spektrá

Atómové spektrá získané vo forme infračervených lúčov sú lineárne; spektrá kondenzovaných látok – spojité; molekulové spektrá sú pásové. Záverom je, že pre infračervené lúče v porovnaní s viditeľnou a ultrafialovou oblasťou elektromagnetického spektra sú optické vlastnosti látok, ako sú koeficient odrazu, priepustnosti, lomu, veľmi odlišné.

Mnohé z látok, hoci prepúšťajú viditeľné svetlo, sú v časti infračerveného rozsahu nepriehľadné pre vlny.

Napríklad vrstva vody s hrúbkou niekoľkých centimetrov je nepriehľadná pre infračervené vlny dlhšie ako 1 mikrón a za určitých podmienok sa dá použiť ako tepelný ochranný filter. A vrstvy germánia alebo kremíka neprepúšťajú viditeľné svetlo, ale dobre prepúšťajú infračervené lúče určitej vlnovej dĺžky. Ďaleké infračervené lúče sú ľahko prenášané čiernym papierom a môžu slúžiť ako filter na ich izoláciu.

Väčšina kovov, ako je hliník, zlato, striebro a meď, odráža infračervené žiarenie s dlhšou vlnovou dĺžkou, napríklad pri infračervenej vlnovej dĺžke 10 mikrónov dosahuje odraz od kovov 98 %. Pevné látky a kvapaliny nekovovej povahy odrážajú len časť IR rozsahu v závislosti od chemického zloženia konkrétnej látky. Vďaka týmto vlastnostiam interakcie infračervených lúčov s rôznymi médiami sa úspešne používajú v mnohých štúdiách.

Infračervený rozptyl

Infračervené vlny vyžarované Slnkom prechádzajúce zemskou atmosférou sú čiastočne rozptýlené a tlmené molekulami vzduchu a atómami. Kyslík a dusík v atmosfére čiastočne oslabujú infračervené lúče, rozptyľujú ich, ale úplne ich neabsorbujú, pretože absorbujú časť lúčov viditeľného spektra.

Voda, oxid uhličitý a ozón obsiahnutý v atmosfére čiastočne absorbujú infračervené lúče a voda ich pohlcuje najviac, pretože jej infračervené absorpčné spektrá spadajú do celej oblasti infračerveného spektra a absorpčné spektrá oxidu uhličitého spadajú len do strednej oblasti. .

Vrstvy atmosféry v blízkosti zemského povrchu prepúšťajú veľmi málo infračerveného žiarenia, pretože dym, prach a voda ho ďalej zoslabujú a rozptyľujú energiu na svoje častice. Čím menšie sú častice (dym, prach, voda atď.), menší IR rozptyl a viditeľnejší rozptyl vlnových dĺžok. Tento efekt sa využíva pri infračervenej fotografii.

Zdroje infračerveného žiarenia

Pre nás žijúcich na Zemi je Slnko veľmi silným prírodným zdrojom infračerveného žiarenia, pretože polovica jeho elektromagnetického spektra je v infračervenej oblasti. Žiarovky, infračervené spektrum tvorí až 80% energie žiarenia.

Medzi umelé zdroje infračerveného žiarenia patria aj: elektrický oblúk, plynové výbojky a samozrejme domáce ohrievače vykurovacích telies.Vo vede sa na získanie infračervených vĺn používa Nernstov kolík, volfrámové vlákna, ako aj vysokotlakové ortuťové výbojky a dokonca aj špeciálne IR lasery (neodymové sklo poskytuje vlnovú dĺžku 1,06 mikrónu a hélium-neónový laser - 1,15 a 3,39 mikrónov, oxid uhličitý - 10,6 mikrónov).

IR prijímače

Princíp činnosti prijímačov infračervených vĺn je založený na premene energie dopadajúceho žiarenia na iné formy energie dostupné na meranie a použitie. Infračervené žiarenie absorbované v prijímači ohrieva prvok citlivý na teplo a zaznamená sa zvýšenie teploty.

Fotoelektrické infračervené prijímače generujú elektrické napätie a prúd v reakcii na špecifickú úzku časť infračerveného spektra, pre ktorú sú navrhnuté, to znamená, že infračervené fotoelektrické prijímače sú selektívne. Pre IR vlny v rozsahu do 1,2 μm sa fotografická registrácia vykonáva pomocou špeciálnych fotografických emulzií.

Infračervené žiarenie má široké využitie vo vede a technike, najmä na riešenie praktických výskumných problémov. Študujú sa absorpčné a emisné spektrá molekúl a pevných látok, ktoré práve spadajú do infračervenej oblasti.

Tento prístup k výskumu sa nazýva infračervená spektroskopia, ktorá umožňuje riešiť štrukturálne problémy vykonaním kvantitatívnej a kvalitatívnej spektrálnej analýzy. Ďaleká infračervená oblasť obsahuje emisie spôsobené prechodmi medzi atómovými podrovinami. Vďaka IR spektrám môžete študovať štruktúry elektrónových obalov atómov.

A to nehovorím o fotení, kedy ten istý objekt odfotený najskôr vo viditeľnom a potom v infračervenom rozsahu bude vyzerať inak, pretože kvôli rozdielu v priepustnosti, rozptyle a odraze pre rôzne oblasti elektromagnetického spektra niektoré prvky a detaily v nezvyčajnom režime fotografovania môže úplne chýbať: na bežnej fotografii bude niečo chýbať a na infračervenej fotografii sa to stane viditeľným.

Nemožno podceňovať priemyselné a spotrebiteľské využitie infračerveného žiarenia. Používa sa na sušenie a ohrev rôznych produktov a materiálov v priemysle. V domoch sú priestory vykurované.

Elektrooptické prevodníky využívajú fotokatódy, ktoré sú citlivé v infračervenej oblasti elektromagnetického spektra, čo vám umožňuje vidieť to, čo je voľným okom neviditeľné.

Prístroje nočného videnia umožňujú vidieť v tme vďaka ožiareniu predmetov infračervenými lúčmi, infračervené ďalekohľady - pre nočné pozorovanie, infračervené zameriavače - pre mierenie v úplnej tme a pod.. Mimochodom, pomocou infračerveného žiarenia si dokáže reprodukovať presný štandard metra.

Vysoko citlivé prijímače IR vĺn umožňujú určiť smer rôznych objektov ich tepelným vyžarovaním, fungujú napríklad systémy navádzania rakiet, ktoré navyše generujú vlastné IR žiarenie.

Diaľkomery a lokátory založené na infračervených lúčoch umožňujú pozorovať niektoré objekty v tme a merať k nim vzdialenosť s vysokou presnosťou. IR lasery sa používajú vo vedeckom výskume, na sondovanie atmosféry, na vesmírnu komunikáciu a pod.