Инфрачервено лъчение и неговите приложения

Електромагнитното излъчване с дължина на вълната от 0,74 микрона до 2 мм се нарича във физиката инфрачервено излъчване или инфрачервени лъчи, съкратено «IR». Той заема онази част от електромагнитния спектър, която се намира между видимото оптично лъчение (произхождащо от червената област) и късо вълновия радиочестотен диапазон.

Въпреки че практически инфрачервеното излъчване не се възприема от човешкото око като светлина и не притежава никакъв специфичен цвят, въпреки това принадлежи към оптичното излъчване и се използва широко в съвременните технологии.

Инфрачервените вълни, които са характерни, загряват повърхностите на телата, поради което инфрачервеното лъчение също често се нарича термично излъчване. Цялата инфрачервена област е условно разделена на три части:

• далечна инфрачервена област — с дължини на вълните от 50 до 2000 микрона;

• средна IR област — с дължини на вълните от 2,5 до 50 микрона;

• близка инфрачервена област — от 0,74 до 2,5 микрона.

Инфрачервената радиация е открита през 1800 г. от английския астроном Уилям Хершел, а по -късно, през 1802 г., независимо от английския учен Уилям Уоластън.

IR спектри

Атомните спектри, получени под формата на инфрачервени лъчи, са линейни; спектри на кондензирано вещество — непрекъснати; молекулярните спектри са на ивици. Изводът е, че за инфрачервените лъчи, в сравнение с видимите и ултравиолетовите области на електромагнитния спектър, оптичните свойства на веществата, като коефициента на отражение, пропускане, пречупване, са много различни.

Много от веществата, въпреки че пропускат видима светлина, се оказват непрозрачни за вълните на част от инфрачервения диапазон.

Например, слой вода с дебелина няколко сантиметра е непрозрачен за инфрачервени вълни с дължина над 1 микрона и при някои условия може да се използва като филтър за топлозащита. И слоевете германий или силиций не пропускат видима светлина, но пропускат добре инфрачервени лъчи с определена дължина на вълната. Далечните инфрачервени лъчи са лесно пропускливи от черна хартия и могат да служат като филтър за тяхната изолация.

Повечето метали, като алуминий, злато, сребро и мед, отразяват инфрачервеното лъчение с по -голяма дължина на вълната, например при дължина на вълната на инфрачервените лъчи от 10 микрона, отражението от металите достига 98%. Твърдите и течни вещества с неметален характер отразяват само част от IR диапазона, в зависимост от химичния състав на определено вещество. Поради тези особености на взаимодействието на инфрачервените лъчи с различни среди, те се използват успешно в много изследвания.

Инфрачервено разсейване

Инфрачервените вълни, излъчвани от Слънцето, преминаващи през земната атмосфера, са частично разпръснати и отслабени от въздушните молекули и атоми. Кислородът и азотът в атмосферата частично отслабват инфрачервените лъчи, разсейвайки ги, но не ги абсорбират напълно, тъй като те абсорбират част от лъчите от видимия спектър.

Водата, въглеродният диоксид и озонът, съдържащи се в атмосферата, частично поглъщат инфрачервените лъчи и водата ги абсорбира най -вече, тъй като нейните инфрачервени абсорбционни спектри падат върху цялата област на инфрачервения спектър, а спектрите на поглъщане на въглеродния диоксид попадат само в среден регион.

Слоевете на атмосферата близо до земната повърхност предават много малка част от инфрачервената радиация, тъй като димът, прахът и водата допълнително я отслабват, разсейвайки енергията върху техните частици.Колкото по -малки са частиците (дим, прах, вода и т.н.), толкова по -малко IR разсейване и по -голямо разсейване на видимите дължини на вълните. Този ефект се използва в инфрачервената фотография.

Източници на инфрачервено лъчение

За нас, живеещите на Земята, Слънцето е много мощен естествен източник на инфрачервено лъчение, защото половината от електромагнитния му спектър е в инфрачервения диапазон. Лампи с нажежаема жичка, инфрачервеният спектър е до 80% от енергията на излъчване.

Също така, изкуствените източници на инфрачервено лъчение включват: електрическа дъга, газоразрядни лампи и, разбира се, битови нагреватели на нагревателни елементи. В науката за получаване на инфрачервени вълни се използват щифтът на Nernst, волфрамови нишки, както и живачни лампи с високо налягане и дори специални IR лазери (неодимовото стъкло дава дължина на вълната 1,06 микрона, а хелий-неонов лазер-1,15 и 3,39 микрона , въглероден диоксид — 10,6 микрона).

IR приемници

Принципът на действие на приемниците на инфрачервени вълни се основава на преобразуване на енергията на падащото излъчване в други форми на енергия, достъпни за измерване и използване. Инфрачервеното лъчение, погълнато в приемника, загрява термочувствителния елемент и се отчита повишаване на температурата.

Фотоелектрическите IR приемници генерират електрическо напрежение и ток в отговор на определена тясна част от IR спектъра, за която са проектирани да работят, тоест IR фотоелектрическите приемници са селективни. За IR вълни от обхват до 1,2 μm, фотографската регистрация се извършва с помощта на специални фотографски емулсии.

Инфрачервеното лъчение се използва широко в науката и технологиите, особено за решаване на практически изследователски проблеми. Изследват се спектрите на абсорбция и емисия на молекули и твърди вещества, които просто попадат в инфрачервената област.

Този подход към изследванията се нарича инфрачервена спектроскопия, която позволява решаването на структурни проблеми чрез извършване на количествен и качествен спектрален анализ. Далечният инфрачервен регион съдържа емисии, причинени от преходи между атомни подоравнища. Благодарение на ИЧ спектрите можете да изучавате структурите на електронните обвивки на атомите.

И това да не говорим за фотографията, когато един и същ обект, сниман първо във видимия, а след това в инфрачервения диапазон, ще изглежда различно, тъй като поради разликата в пропускането, разсейването и отражението за различни области на електромагнитния спектър, някои елементи и детайли в необичаен режим на снимане на снимки може да липсват напълно: при обикновена снимка нещо ще липсва, а при инфрачервена снимка ще стане видима.

Промишленото и потребителското използване на инфрачервеното лъчение не може да се подценява. Използва се за сушене и отопление на различни продукти и материали в промишлеността. В къщи — помещенията се отопляват.

Електрооптичните преобразуватели използват фотокатоди, които са чувствителни в инфрачервената област на електромагнитния спектър, което ви позволява да видите това, което е невидимо с просто око.

Устройствата за нощно виждане ви позволяват да виждате на тъмно поради облъчването на обекти с инфрачервени лъчи, инфрачервени бинокли — за наблюдение през нощта, инфрачервени прицели — за прицелване в пълна тъмнина и пр. Между другото, с помощта на инфрачервено излъчване вие може да възпроизведе точния стандарт на глюкомера.

Високочувствителните приемници на IR вълни позволяват определяне на посоката на различни обекти чрез тяхното топлинно излъчване, например работят системи за самонасочване на ракети, които допълнително генерират собствено IR излъчване.

Далекомери и локатори, базирани на инфрачервени лъчи, позволяват да се наблюдават някои обекти на тъмно и да се измерва разстоянието до тях с висока точност. IR лазерите се използват в научни изследвания, за сондиране на атмосферата, за космически комуникации и др.