Infrarød stråling og dens anvendelser

Elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på 0,74 mikron til 2 mm kaldes i fysikken for infrarød stråling eller infrarøde stråler, forkortet «IR». Det optager den del af det elektromagnetiske spektrum, der ligger mellem synlig optisk stråling (med oprindelse i det røde område) og det kortbølgede radiofrekvensområde.

Selvom infrarød stråling praktisk talt ikke opfattes af det menneskelige øje som lys og ikke har nogen bestemt farve, tilhører den ikke desto mindre optisk stråling og er meget udbredt i moderne teknologi.

Infrarøde bølger, som er karakteristiske, opvarmer kroppens overflader, hvorfor infrarød stråling også ofte kaldes termisk stråling. Hele den infrarøde region er betinget opdelt i tre dele:

• fjernt infrarødt område — med bølgelængder fra 50 til 2000 mikron;

• midt-IR-region - med bølgelængder fra 2,5 til 50 mikron;

• nær infrarød region - fra 0,74 til 2,5 mikron.

Infrarød stråling blev opdaget i 1800-tallet.af den engelske astronom William Herschel, og senere, i 1802, uafhængigt af den engelske videnskabsmand William Wollaston.

IR-spektre

Atomspektre opnået i form af infrarøde stråler er lineære; spektre af kondenseret stof — kontinuert; molekylære spektre er båndede. Konklusionen er, at for infrarøde stråler, sammenlignet med de synlige og ultraviolette områder af det elektromagnetiske spektrum, er de optiske egenskaber af stoffer, såsom refleksionskoefficient, transmission, brydning, meget forskellige.

Mange af stofferne, selvom de transmitterer synligt lys, viser sig at være uigennemsigtige for bølger i en del af det infrarøde område.

For eksempel er et lag af flere centimeter tykt vand uigennemsigtigt for infrarøde bølger længere end 1 mikron, og kan under visse forhold bruges som et termisk beskyttelsesfilter. Og lagene af germanium eller silicium transmitterer ikke synligt lys, men transmitterer infrarøde stråler af en bestemt bølgelængde godt. Langt infrarøde stråler overføres let af sort papir og kan tjene som et filter til deres isolation.

De fleste metaller, såsom aluminium, guld, sølv og kobber, reflekterer infrarød stråling med en længere bølgelængde, for eksempel ved en infrarød bølgelængde på 10 mikron når reflektionen fra metaller 98%. Faste stoffer og væsker af ikke-metallisk karakter afspejler kun en del af IR-området, afhængigt af den kemiske sammensætning af et bestemt stof. På grund af disse funktioner i interaktionen af ​​infrarøde stråler med forskellige medier, er de med succes brugt i mange undersøgelser.

Infrarød spredning

Infrarøde bølger, der udsendes af Solen, der passerer gennem Jordens atmosfære, er delvist spredt og dæmpet af luftmolekyler og atomer. Ilt og nitrogen i atmosfæren svækker delvist infrarøde stråler og spreder dem, men absorberer dem ikke fuldstændigt, da de absorberer en del af strålerne i det synlige spektrum.

Vand, kuldioxid og ozon indeholdt i atmosfæren absorberer delvist infrarøde stråler, og vand absorberer dem mest, fordi dets infrarøde absorptionsspektre falder over hele området af det infrarøde spektrum, og absorptionsspektrene for kuldioxid falder kun i det midterste område. .

Lagene i atmosfæren nær Jordens overflade transmitterer meget lidt af den infrarøde stråling, da røg, støv og vand dæmper den yderligere og spreder energien på deres partikler. Jo mindre partiklerne (røg, støv, vand osv.) mindre IR-spredning og mere synlig bølgelængdespredning. Denne effekt bruges i infrarød fotografering.

Kilder til infrarød stråling

For os, der lever på Jorden, er Solen en meget kraftig naturlig kilde til infrarød stråling, fordi halvdelen af ​​dens elektromagnetiske spektrum er i det infrarøde område. Glødelamper, det infrarøde spektrum er op til 80% af strålingsenergien.

Kunstige kilder til infrarød stråling omfatter også: lysbue, gasudladningslamper og selvfølgelig husholdningsvarmere af varmeelementer.I videnskaben, for at opnå infrarøde bølger, bruges Nernst-stiften, wolframfilamenter såvel som højtrykskviksølvlamper og endda specielle IR-lasere (neodymglas giver en bølgelængde på 1,06 mikron og en helium-neon-laser - 1,15 og 3,39 mikron, kuldioxid - 10,6 mikron).

IR-modtagere

Funktionsprincippet for infrarøde bølgemodtagere er baseret på omdannelsen af ​​energien fra den indfaldende stråling til andre former for energi, der er tilgængelig til måling og brug. Den infrarøde stråling, der absorberes i modtageren, opvarmer det termofølsomme element, og en temperaturstigning registreres.

Fotoelektriske IR-modtagere genererer elektrisk spænding og strøm som reaktion på en specifik smal del af IR-spektret, som de er designet til at fungere til, det vil sige, at IR-fotoelektriske modtagere er selektive. For IR-bølger i området op til 1,2 μm udføres fotografisk registrering ved hjælp af specielle fotografiske emulsioner.

Infrarød stråling er meget udbredt inden for videnskab og teknologi, især til løsning af praktiske forskningsproblemer. Absorptions- og emissionsspektrene for molekyler og faste stoffer, der netop falder ind i det infrarøde område, studeres.

Denne tilgang til forskning kaldes infrarød spektroskopi, som gør det muligt at løse strukturelle problemer ved at udføre kvantitativ og kvalitativ spektralanalyse. Det fjerne infrarøde område indeholder emissioner forårsaget af overgange mellem atomare underplaner. Takket være IR-spektre kan du studere strukturerne af atomernes elektronskaller.

Og dette er ikke at nævne fotografering, når det samme objekt fotograferet først i det synlige og derefter i det infrarøde område vil se anderledes ud, fordi nogle elementer og detaljer på grund af forskellen i transmission, spredning og refleksion for forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum. i en usædvanlig fotooptagelsestilstand kan mangle helt: på et almindeligt billede vil der mangle noget, og på et infrarødt foto vil det blive synligt.

Den industrielle og forbrugernes anvendelse af infrarød stråling kan ikke undervurderes. Det bruges til tørring og opvarmning af forskellige produkter og materialer i industrien. I huse opvarmes lokalerne.

Elektro-optiske transducere bruger fotokatoder, der er følsomme i det infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum, så du kan se, hvad der er usynligt for det blotte øje.

Nattesynsapparater giver dig mulighed for at se i mørke på grund af bestråling af objekter med infrarøde stråler, infrarøde kikkerter - til natobservation, infrarøde sigtepunkter - til at sigte i fuldstændig mørke osv. Ved hjælp af infrarød stråling kan du i øvrigt kan gengive den nøjagtige målerstandard.

Meget følsomme modtagere af IR-bølger gør det muligt at bestemme retningen af ​​forskellige objekter ved deres termiske stråling, for eksempel fungerer missilstyringssystemer, som desuden genererer deres egen IR-stråling.

Afstandsmålere og lokalisatorer baseret på infrarøde stråler gør det muligt at observere nogle objekter i mørke og måle afstanden til dem med høj nøjagtighed. IR-lasere bruges i videnskabelig forskning, til at sondere atmosfæren, til rumkommunikation og meget mere.