Infrapunasäteily ja sen sovellukset

Sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 0,74 mikronia - 2 mm, kutsutaan fysiikassa infrapunasäteilyksi tai infrapunasäteiksi, lyhennettynä "IR". Se kattaa sen osan sähkömagneettisesta spektristä, joka sijaitsee näkyvän optisen säteilyn (joka on peräisin punaisesta alueesta) ja lyhytaaltoisen radiotaajuusalueen välissä.

Vaikka ihmissilmä ei käytännössä havaitse infrapunasäteilyä valona eikä sillä ole erityistä väriä, se kuuluu kuitenkin optiseen säteilyyn ja sitä käytetään laajalti nykytekniikassa.

Tunnusomaiset infrapuna-aallot lämmittävät kappaleiden pintoja, minkä vuoksi infrapunasäteilyä kutsutaan usein myös lämpösäteilyksi. Koko infrapuna-alue on ehdollisesti jaettu kolmeen osaan:

• kauko-infrapuna-alue - aallonpituuksilla 50 - 2000 mikronia;

• keski-IR-alue - aallonpituuksilla 2,5 - 50 mikronia;

• lähellä infrapuna-aluetta - 0,74 - 2,5 mikronia.

Infrapunasäteily löydettiin 1800-luvulla.englantilainen tähtitieteilijä William Herschel ja myöhemmin, vuonna 1802, itsenäisesti englantilainen tiedemies William Wollaston.

IR-spektrit

Infrapunasäteiden muodossa saadut atomispektrit ovat lineaarisia; tiivistyneen aineen spektrit — jatkuvat; molekyylispektrit ovat vyöhykkeitä. Johtopäätös on, että infrapunasäteillä verrattuna sähkömagneettisen spektrin näkyvään ja ultraviolettialueeseen aineiden optiset ominaisuudet, kuten heijastuskerroin, läpäisy, taittuminen, ovat hyvin erilaisia.

Monet aineista, vaikka ne läpäisevät näkyvää valoa, osoittautuvat läpinäkymättömiksi infrapuna-alueen aalloilla.

Esimerkiksi useita senttejä paksu vesikerros on läpinäkymätön yli 1 mikronin pituisille infrapuna-aalloille, ja sitä voidaan joissain olosuhteissa käyttää lämpösuojasuodattimena. Ja germanium- tai piikerrokset eivät lähetä näkyvää valoa, mutta läpäisevät hyvin tietyn aallonpituuden infrapunasäteitä. Kaukoinfrapunasäteet siirtyvät helposti mustan paperin kautta ja voivat toimia suodattimena niiden eristämisessä.

Useimmat metallit, kuten alumiini, kulta, hopea ja kupari, heijastavat infrapunasäteilyä pidemmällä aallonpituudella, esimerkiksi infrapuna-aallonpituudella 10 mikronia, metallien heijastus saavuttaa 98%. Ei-metalliset kiinteät aineet ja nesteet heijastavat vain osaa IR-alueesta riippuen tietyn aineen kemiallisesta koostumuksesta. Näiden infrapunasäteiden ja eri välineiden vuorovaikutuksen ominaisuuksien vuoksi niitä käytetään menestyksekkäästi monissa tutkimuksissa.

Infrapunasironta

Maan ilmakehän läpi kulkevat Auringon lähettämät infrapuna-aallot ovat osittain sironneet ja vaimentaneet ilmamolekyylejä ja -atomeja. Ilmakehän happi ja typpi heikentävät osittain infrapunasäteitä ja sirottavat niitä, mutta eivät absorboi niitä kokonaan, koska ne absorboivat osan näkyvän spektrin säteistä.

Ilmakehän sisältämä vesi, hiilidioksidi ja otsoni absorboivat infrapunasäteitä osittain, ja vesi absorboi niitä eniten, koska sen infrapuna-absorptiospektrit osuvat koko infrapunaspektrin alueelle ja hiilidioksidin absorptiospektrit vain keskialueelle. .

Maan pinnan lähellä olevat ilmakehän kerrokset välittävät hyvin vähän infrapunasäteilyä, sillä savu, pöly ja vesi vaimentavat sitä entisestään ja sirottavat energiaa hiukkasilleen. Mitä pienemmät hiukkaset (savu, pöly, vesi jne.) ovat vähemmän IR-sirontaa ja näkyvämpää aallonpituuden sirontaa. Tätä tehostetta käytetään infrapunakuvauksessa.

Infrapunasäteilyn lähteet

Meille maapallolla eläville Aurinko on erittäin voimakas luonnollinen infrapunasäteilyn lähde, koska puolet sen sähkömagneettisesta spektristä on infrapuna-alueella. Hehkulamput, infrapunaspektri on jopa 80% säteilyenergiasta.

Myös keinotekoisia infrapunasäteilyn lähteitä ovat: sähkökaari, kaasupurkauslamput ja tietysti kotitalouksien lämmityselementtien lämmittimet.Tieteessä infrapuna-aaltojen saamiseksi käytetään Nernst-nastaa, volframifilamentteja sekä korkeapaineisia elohopealamppuja ja jopa erityisiä IR-lasereita (neodyymilasi antaa aallonpituuden 1,06 mikronia ja helium-neonlaser - 1,15 ja 3,39 mikronia, hiilidioksidi - 10,6 mikronia).

IR-vastaanottimet

Infrapuna-aaltovastaanottimien toimintaperiaate perustuu tulevan säteilyn energian muuntamiseen muihin mittaus- ja käyttökelpoisiin energiamuotoihin. Vastaanottimeen absorboitunut infrapunasäteily lämmittää lämpöherkän elementin ja lämpötilan nousu tallennetaan.

Valosähköiset IR-vastaanottimet tuottavat sähköjännitteen ja -virran vasteena IR-spektrin tiettyyn kapeaan osaan, jota varten ne on suunniteltu toimimaan, eli IR-valosähköiset vastaanottimet ovat selektiivisiä. IR-aalloille 1,2 μm asti valokuvarekisteröinti suoritetaan erityisillä valokuvaemulsioilla.

Infrapunasäteilyä käytetään laajasti tieteessä ja tekniikassa, erityisesti käytännön tutkimusongelmien ratkaisemisessa. Infrapuna-alueelle vain putoavien molekyylien ja kiinteiden aineiden absorptio- ja emissiospektrejä tutkitaan.

Tätä lähestymistapaa tutkimukseen kutsutaan infrapunaspektroskopiaksi, joka mahdollistaa rakenteellisten ongelmien ratkaisemisen kvantitatiivisen ja kvalitatiivisen spektrianalyysin avulla. Kaukoinfrapuna-alue sisältää atomien alitasojen välisten siirtymien aiheuttamia päästöjä. IR-spektrien ansiosta voit tutkia atomien elektronikuorten rakenteita.

Ja tässä puhumattakaan valokuvauksesta, kun sama kohde, joka on kuvattu ensin näkyvällä ja sitten infrapuna-alueella, näyttää erilaiselta, koska sähkömagneettisen spektrin eri alueiden läpäisy-, sironta- ja heijastuseroista johtuen eräät elementit ja yksityiskohdat epätavallisessa valokuvaustilassa voi puuttua kokonaan: tavallisesta valokuvasta puuttuu jotain, ja infrapunakuvassa se tulee näkyviin.

Infrapunasäteilyn teollista ja kuluttajien käyttöä ei voida aliarvioida. Sitä käytetään erilaisten tuotteiden ja materiaalien kuivaamiseen ja lämmittämiseen teollisuudessa. Taloissa tilat lämmitetään.

Sähköoptisissa muuntimissa käytetään valokatodeja, jotka ovat herkkiä sähkömagneettisen spektrin infrapuna-alueella, joten voit nähdä sen, mikä on näkymätöntä paljaalla silmällä.

Pimeänäkölaitteet mahdollistavat näkemisen pimeässä johtuen esineiden säteilytyksestä infrapunasäteillä, infrapunakiikarit - yöhavainnointiin, infrapunatähtäimet - täydelliseen pimeyteen tähtäämiseen jne. Muuten, infrapunasäteilyn avulla voi toistaa tarkan mittarin standardin.

IR-aaltojen erittäin herkät vastaanottimet mahdollistavat erilaisten kohteiden suunnan määrittämisen niiden lämpösäteilyn perusteella, esimerkiksi toimivat ohjusohjausjärjestelmät, jotka tuottavat lisäksi omaa IR-säteilyään.

Infrapunasäteisiin perustuvat etäisyysmittarit ja paikantimet mahdollistavat joidenkin kohteiden havainnoinnin pimeässä ja mittaamisen etäisyyden niihin suurella tarkkuudella. IR-lasereita käytetään tieteellisessä tutkimuksessa, ilmakehän tutkimiseen, avaruusviestintään ja muuhun.