Radiația infraroșie și aplicațiile sale

Radiația electromagnetică cu o lungime de undă de 0,74 microni până la 2 mm este numită în fizică radiație infraroșie sau raze infraroșii, abreviată „IR”. Ocupă acea parte a spectrului electromagnetic care se află între radiația optică vizibilă (care provine din regiunea roșie) și domeniul de frecvență radio cu unde scurte.

Deși radiația infraroșie practic nu este percepută de ochiul uman ca lumină și nu are nicio culoare specifică, ea aparține totuși radiației optice și este utilizată pe scară largă în tehnologia modernă.

Undele infraroșii, care sunt caracteristice, încălzesc suprafețele corpurilor, motiv pentru care radiația infraroșie este adesea numită și radiație termică. Întreaga regiune infraroșu este împărțită condiționat în trei părți:

• regiune infraroșu îndepărtat - cu lungimi de undă de la 50 la 2000 microni;

• regiune mid-IR — cu lungimi de undă de la 2,5 la 50 microni;

• regiunea infraroșu apropiat - de la 0,74 la 2,5 microni.

Radiația infraroșie a fost descoperită în anii 1800.de astronomul englez William Herschel, iar mai târziu, în 1802, independent de omul de știință englez William Wollaston.

spectre IR

Spectrele atomice obținute sub formă de raze infraroșii sunt liniare; spectre de materie condensată — continuu; spectrele moleculare sunt bandate. Concluzia este că pentru razele infraroșii, în comparație cu regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului electromagnetic, proprietățile optice ale substanțelor, precum coeficientul de reflexie, transmisie, refracție, sunt foarte diferite.

Multe dintre substanțe, deși transmit lumină vizibilă, se dovedesc a fi opace la undele dintr-o parte a intervalului infraroșu.

De exemplu, un strat de apă gros de câțiva centimetri este opac la undele infraroșii mai lungi de 1 micron și, în anumite condiții, poate fi folosit ca filtru de protecție termică. Și straturile de germaniu sau siliciu nu transmit lumină vizibilă, ci transmit bine raze infraroșii de o anumită lungime de undă. Razele infraroșii îndepărtate sunt ușor transmise de hârtia neagră și pot servi drept filtru pentru izolarea lor.

Majoritatea metalelor, cum ar fi aluminiul, aurul, argintul și cuprul, reflectă radiația infraroșie cu o lungime de undă mai mare, de exemplu, la o lungime de undă infraroșie de 10 microni, reflexia metalelor atinge 98%. Solidele și lichidele de natură nemetalic reflectă doar o parte din domeniul IR, în funcție de compoziția chimică a unei anumite substanțe. Datorită acestor caracteristici ale interacțiunii razelor infraroșii cu diverse medii, acestea sunt utilizate cu succes în multe studii.

Imprăștire în infraroșu

Undele infraroșii emise de Soare care trec prin atmosfera Pământului sunt parțial împrăștiate și atenuate de moleculele și atomi de aer. Oxigenul și azotul din atmosferă slăbesc parțial razele infraroșii, împrăștiindu-le, dar nu le absorb complet, deoarece absorb o parte din razele spectrului vizibil.

Apa, dioxidul de carbon și ozonul conținute în atmosferă absorb parțial razele infraroșii, iar apa le absoarbe cel mai mult deoarece spectrele sale de absorbție în infraroșu se încadrează pe întreaga regiune a spectrului infraroșu, iar spectrele de absorbție ale dioxidului de carbon cad doar în regiunea mijlocie. .

Straturile atmosferei de lângă suprafața Pământului transmit foarte puțin din radiația infraroșie, deoarece fumul, praful și apa o atenuează și mai mult, împrăștiind energia pe particulele lor. Cu cât particulele sunt mai mici (fum, praf, apă etc.), mai puțină împrăștiere IR și o împrăștiere a lungimii de undă mai vizibilă. Acest efect este utilizat în fotografia în infraroșu.

Surse de radiație infraroșie

Pentru noi care trăim pe Pământ, Soarele este o sursă naturală foarte puternică de radiații infraroșii, deoarece jumătate din spectrul său electromagnetic se află în domeniul infraroșu. Lămpi cu incandescență, spectrul infraroșu reprezintă până la 80% din energia radiației.

De asemenea, sursele artificiale de radiații infraroșii includ: arc electric, lămpi cu descărcare în gaz și, desigur, încălzitoare de uz casnic ale elementelor de încălzire.În știință, pentru obținerea undelor infraroșii se folosesc pinul Nernst, filamente de tungsten, precum și lămpi cu mercur de înaltă presiune și chiar lasere IR speciale (sticla cu neodim dă o lungime de undă de 1,06 microni, iar un laser cu heliu-neon - 1,15 și 3,39). microni, dioxid de carbon — 10,6 microni).

Receptoare IR

Principiul de funcționare al receptorilor cu unde infraroșii se bazează pe conversia energiei radiației incidente în alte forme de energie disponibile pentru măsurare și utilizare. Radiația infraroșie absorbită în receptor încălzește elementul termosensibil și se înregistrează o creștere a temperaturii.

Receptoarele fotoelectrice IR generează tensiune și curent electric ca răspuns la o anumită parte îngustă a spectrului IR pentru care sunt proiectate să funcționeze, adică receptoarele fotoelectrice IR sunt selective. Pentru undele IR în intervalul de până la 1,2 μm, înregistrarea fotografică se realizează folosind emulsii fotografice speciale.

Radiația infraroșie este utilizată pe scară largă în știință și tehnologie, în special pentru rezolvarea problemelor practice de cercetare. Sunt studiate spectrele de absorbție și emisie ale moleculelor și solidelor care tocmai cad în regiunea infraroșie.

Această abordare a cercetării se numește spectroscopie în infraroșu, care permite rezolvarea problemelor structurale prin efectuarea de analize spectrale cantitative și calitative. Regiunea infraroșu îndepărtat conține emisii cauzate de tranzițiile dintre subplanurile atomice. Datorită spectrelor IR, puteți studia structurile învelișurilor de electroni ale atomilor.

Și asta ca să nu mai vorbim de fotografie, când același obiect fotografiat mai întâi în domeniul vizibil și apoi în infraroșu va arăta diferit, deoarece datorită diferenței de transmisie, împrăștiere și reflexie pentru diferite zone ale spectrului electromagnetic, unele elemente și detalii într-un mod neobișnuit de fotografiere poate lipsi complet: într-o fotografie obișnuită, ceva va lipsi, iar într-o fotografie în infraroșu va deveni vizibil.

Utilizările industriale și de consum ale radiației infraroșii nu pot fi subestimate. Este folosit pentru uscarea și încălzirea diverselor produse și materiale din industrie. În case, spațiile sunt încălzite.

Traductoarele electro-optice folosesc fotocatozi care sunt sensibili în regiunea infraroșu a spectrului electromagnetic, permițându-vă să vedeți ceea ce este invizibil cu ochiul liber.

Dispozitivele de vedere pe timp de noapte vă permit să vedeți în întuneric datorită iradierii obiectelor cu raze infraroșii, binocluri cu infraroșu - pentru observarea nocturnă, obiective în infraroșu - pentru țintirea în întuneric complet etc. Apropo, cu ajutorul radiației infraroșii, puteți poate reproduce standardul exact al contorului.

Receptoarele foarte sensibile ale undelor IR permit determinarea direcției diferitelor obiecte prin radiația lor termică, de exemplu, funcționează sistemele de ghidare a rachetelor, care generează în plus propria lor radiație IR.

Telemetrul și localizatoarele bazate pe raze infraroșii permit observarea unor obiecte în întuneric și măsurarea distanței până la acestea cu mare precizie. Laserele IR sunt folosite în cercetarea științifică, pentru sondarea atmosferei, pentru comunicațiile spațiale și multe altele.