Infraröd strålning och dess tillämpningar

Elektromagnetisk strålning med en våglängd på 0,74 mikron till 2 mm kallas inom fysiken infraröd strålning eller infraröd strålning, förkortat «IR». Den upptar den del av det elektromagnetiska spektrumet som ligger mellan synlig optisk strålning (som har sitt ursprung i det röda området) och kortvågsradiofrekvensområdet.

Även om infraröd strålning praktiskt taget inte uppfattas av det mänskliga ögat som ljus och inte har någon specifik färg, hör den ändå till optisk strålning och används flitigt i modern teknik.

Infraröda vågor, som är karakteristiska, värmer upp kropparnas ytor, varför infraröd strålning också ofta kallas för termisk strålning. Hela den infraröda regionen är villkorligt uppdelad i tre delar:

• fjärrinfraröd region — med våglängder från 50 till 2000 mikron;

• mitt-IR-området — med våglängder från 2,5 till 50 mikron;

• nära infraröd region - från 0,74 till 2,5 mikron.

Infraröd strålning upptäcktes på 1800-talet.av den engelske astronomen William Herschel, och senare, 1802, oberoende av den engelske vetenskapsmannen William Wollaston.

IR-spektra

Atomspektra erhållna i form av infraröda strålar är linjära; spektra av kondenserad materia — kontinuerliga; molekylspektra är bandade. Slutsatsen är att för infraröda strålar, jämfört med de synliga och ultravioletta områdena i det elektromagnetiska spektrumet, är de optiska egenskaperna hos ämnen, såsom reflektionskoefficient, transmission, refraktion, mycket olika.

Många av ämnena, även om de sänder ut synligt ljus, visar sig vara ogenomskinliga för vågor i en del av det infraröda området.

Till exempel är ett flera centimeter tjockt vattenlager ogenomskinligt för infraröda vågor längre än 1 mikron och kan under vissa förhållanden användas som ett termiskt skyddsfilter. Och lagren av germanium eller kisel överför inte synligt ljus, utan sänder infraröda strålar av en viss våglängd väl. Långt infraröda strålar överförs lätt av svart papper och kan fungera som ett filter för deras isolering.

De flesta metaller, såsom aluminium, guld, silver och koppar, reflekterar infraröd strålning med en längre våglängd, till exempel vid en infraröd våglängd på 10 mikron når reflektionen från metaller 98 %. Fasta ämnen och vätskor av icke-metallisk natur återspeglar endast en del av IR-området, beroende på den kemiska sammansättningen av ett visst ämne. På grund av dessa egenskaper hos interaktionen av infraröda strålar med olika medier används de framgångsrikt i många studier.

Infraröd spridning

Infraröda vågor som sänds ut av solen som passerar genom jordens atmosfär är delvis utspridda och försvagade av luftmolekyler och atomer. Syre och kväve i atmosfären försvagar delvis infraröda strålar, sprider dem, men absorberar dem inte helt, eftersom de absorberar en del av strålarna i det synliga spektrumet.

Vatten, koldioxid och ozon som finns i atmosfären absorberar delvis infraröda strålar, och vatten absorberar dem mest eftersom dess infraröda absorptionsspektra faller över hela området av det infraröda spektrumet, och absorptionsspektra för koldioxid faller endast i mittområdet .

Atmosfärens lager nära jordens yta sänder mycket lite av den infraröda strålningen, eftersom rök, damm och vatten dämpar den ytterligare och sprider energin på deras partiklar. Ju mindre partiklar (rök, damm, vatten, etc.) mindre IR-spridning och mer synlig våglängdsspridning. Denna effekt används vid infraröd fotografering.

Källor för infraröd strålning

För oss som bor på jorden är solen en mycket kraftfull naturlig källa till infraröd strålning eftersom hälften av dess elektromagnetiska spektrum ligger i det infraröda området. Glödlampor, det infraröda spektrumet är upp till 80% av strålningsenergin.

Artificiella källor för infraröd strålning inkluderar också: ljusbåge, gasurladdningslampor och, naturligtvis, hushållsvärmare av värmeelement.Inom vetenskapen används Nernst-stiftet, volframtrådar, högtryckskvicksilverlampor och till och med speciella IR-lasrar för att få infraröda vågor (neodymglas ger en våglängd på 1,06 mikron och en helium-neonlaser - 1,15 och 3,39 mikron, koldioxid — 10,6 mikron).

IR-mottagare

Funktionsprincipen för infrarödvågsmottagare bygger på omvandlingen av energin från den infallande strålningen till andra energiformer som är tillgängliga för mätning och användning. Den infraröda strålningen som absorberas i mottagaren värmer det värmekänsliga elementet och en temperaturökning registreras.

Fotoelektriska IR-mottagare genererar elektrisk spänning och ström som svar på en specifik smal del av IR-spektrumet för vilket de är designade att fungera, det vill säga IR-fotoelektriska mottagare är selektiva. För IR-vågor i området upp till 1,2 μm utförs fotografisk registrering med hjälp av speciella fotografiska emulsioner.

Infraröd strålning används i stor utsträckning inom vetenskap och teknik, särskilt för att lösa praktiska forskningsproblem. Absorptions- och emissionsspektra för molekyler och fasta ämnen som precis faller in i det infraröda området studeras.

Denna metod för forskning kallas infraröd spektroskopi, som gör det möjligt att lösa strukturella problem genom att utföra kvantitativ och kvalitativ spektralanalys. Den avlägsna infraröda regionen innehåller emissioner som orsakas av övergångar mellan atomära subplan. Tack vare IR-spektra kan du studera strukturerna hos atomernas elektronskal.

Och detta är för att inte tala om fotografering, när samma objekt fotograferat först i det synliga och sedan i det infraröda området kommer att se annorlunda ut, eftersom på grund av skillnaden i transmission, spridning och reflektion för olika områden av det elektromagnetiska spektrumet, vissa element och detaljer i ett ovanligt fotograferingsläge kan det saknas helt: i ett vanligt foto kommer något att saknas, och i ett infrarött foto kommer det att bli synligt.

Industri- och konsumentanvändningen av infraröd strålning kan inte underskattas. Den används för torkning och uppvärmning av olika produkter och material inom industrin. I hus är lokalerna uppvärmda.

Elektrooptiska givare använder fotokatoder som är känsliga i det infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet, vilket gör att du kan se vad som är osynligt för blotta ögat.

Nattseendeapparater gör att du kan se i mörker på grund av bestrålning av föremål med infraröda strålar, infraröd kikare - för nattobservation, infraröd sikte - för att sikta i totalt mörker etc. Förresten, med hjälp av infraröd strålning kan du kan återge den exakta mätarstandarden.

Mycket känsliga mottagare av IR-vågor gör det möjligt att bestämma riktningen för olika objekt genom deras termiska strålning, till exempel fungerar missilstyrningssystem, som dessutom genererar sin egen IR-strålning.

Avståndsmätare och lokaliserare baserade på infraröda strålar gör det möjligt att observera vissa objekt i mörker och mäta avståndet till dem med hög noggrannhet. IR-lasrar används i vetenskaplig forskning, för att undersöka atmosfären, för rymdkommunikation och mer.