Infrasarkanais starojums un tā pielietojumi

Elektromagnētisko starojumu ar viļņa garumu no 0,74 mikroniem līdz 2 mm fizikā sauc par infrasarkano starojumu jeb infrasarkanajiem stariem, saīsināti "IR". Tas aizņem to elektromagnētiskā spektra daļu, kas atrodas starp redzamo optisko starojumu (izcelsme ir sarkanajā reģionā) un īsviļņu radiofrekvenču diapazonu.

Lai gan infrasarkano starojumu cilvēka acs praktiski neuztver kā gaismu un tam nav noteiktas krāsas, tas tomēr pieder pie optiskā starojuma un tiek plaši izmantots mūsdienu tehnoloģijās.

Raksturīgie infrasarkanie viļņi silda ķermeņu virsmas, tāpēc infrasarkano starojumu mēdz dēvēt arī par termisko starojumu. Viss infrasarkanais reģions ir nosacīti sadalīts trīs daļās:

• tālais infrasarkanais reģions - ar viļņu garumu no 50 līdz 2000 mikroniem;

• vidējais infrasarkanais reģions — ar viļņu garumu no 2,5 līdz 50 mikroniem;

• infrasarkanajā zonā - no 0,74 līdz 2,5 mikroniem.

Infrasarkanais starojums tika atklāts 1800. gados.angļu astronoms Viljams Heršels un vēlāk, 1802. gadā, neatkarīgi angļu zinātnieks Viljams Volstons.

IR spektri

Atomu spektri, kas iegūti infrasarkano staru veidā, ir lineāri; kondensētās vielas spektri — nepārtraukti; molekulārie spektri ir joslas. Secinājums ir tāds, ka infrasarkanajiem stariem, salīdzinot ar elektromagnētiskā spektra redzamo un ultravioleto apgabalu, vielu optiskās īpašības, piemēram, atstarošanas koeficients, caurlaidība, laušana, ir ļoti atšķirīgas.

Daudzas vielas, lai gan tās pārraida redzamo gaismu, izrādās necaurredzamas viļņiem daļā infrasarkanā diapazona.

Piemēram, vairākus centimetrus biezs ūdens slānis ir necaurredzams infrasarkanajiem viļņiem, kas garāki par 1 mikronu, un noteiktos apstākļos to var izmantot kā termiskās aizsardzības filtru. Un germānija vai silīcija slāņi nepārlaiž redzamo gaismu, bet labi pārraida noteikta viļņa garuma infrasarkanos starus. Tālos infrasarkanos starus viegli pārraida melns papīrs, un tie var kalpot kā filtrs to izolācijai.

Lielākā daļa metālu, piemēram, alumīnijs, zelts, sudrabs un varš, atstaro infrasarkano starojumu ar garāku viļņa garumu, piemēram, pie infrasarkanā viļņa garuma 10 mikroni atstarojums no metāliem sasniedz 98%. Cietās vielas un šķidrumi, kas nav metāliski, atspoguļo tikai daļu no IR diapazona atkarībā no konkrētas vielas ķīmiskā sastāva. Pateicoties šīm infrasarkano staru mijiedarbības iezīmēm ar dažādiem nesējiem, tos veiksmīgi izmanto daudzos pētījumos.

Infrasarkanā izkliede

Saules izstarotos infrasarkanos viļņus, kas iet cauri Zemes atmosfērai, daļēji izkliedē un vājina gaisa molekulas un atomi. Skābeklis un slāpeklis atmosfērā daļēji vājina infrasarkanos starus, tos izkliedējot, bet pilnībā neuzsūc, jo tie absorbē daļu no redzamā spektra stariem.

Atmosfērā esošais ūdens, oglekļa dioksīds un ozons daļēji absorbē infrasarkanos starus, un ūdens tos absorbē visvairāk, jo tā infrasarkanās absorbcijas spektri krīt pa visu infrasarkanā spektra apgabalu, bet oglekļa dioksīda absorbcijas spektri krīt tikai vidējā reģionā. .

Atmosfēras slāņi, kas atrodas netālu no Zemes virsmas, pārraida ļoti maz infrasarkanā starojuma, jo dūmi, putekļi un ūdens to vēl vairāk vājina, izkliedējot enerģiju uz savām daļiņām. Jo mazākas ir daļiņas (dūmi, putekļi, ūdens utt.), mazāka IR izkliede un redzamāka viļņa garuma izkliede. Šo efektu izmanto infrasarkanajā fotogrāfijā.

Infrasarkanā starojuma avoti

Mums, kas dzīvojam uz Zemes, Saule ir ļoti spēcīgs dabisks infrasarkanā starojuma avots, jo puse no tās elektromagnētiskā spektra atrodas infrasarkanajā diapazonā. Kvēlspuldzes, infrasarkanais spektrs ir līdz 80% no starojuma enerģijas.

Arī mākslīgie infrasarkanā starojuma avoti ir: elektriskā loka, gāzizlādes spuldzes un, protams, sadzīves sildelementu sildītāji.Zinātnē infrasarkano viļņu iegūšanai tiek izmantota Nernsta tapa, volframa pavedieni, kā arī augstspiediena dzīvsudraba spuldzes un pat speciāli IR lāzeri (neodīma stikls dod viļņa garumu 1,06 mikroni, bet hēlija-neona lāzers - 1,15 un 3,39 mikroni, oglekļa dioksīds - 10,6 mikroni).

IR uztvērēji

Infrasarkano viļņu uztvērēju darbības princips ir balstīts uz krītošā starojuma enerģijas pārvēršanu citos mērīšanai un lietošanai pieejamos enerģijas veidos. Uztvērējā absorbētais infrasarkanais starojums uzsilda termojutīgo elementu un tiek reģistrēts temperatūras paaugstināšanās.

Fotoelektriskie IR uztvērēji ģenerē elektrisko spriegumu un strāvu, reaģējot uz noteiktu šauru IS spektra daļu, kurai tie ir paredzēti darbībai, tas ir, IR fotoelektriskie uztvērēji ir selektīvi. IR viļņiem diapazonā līdz 1,2 μm fotogrāfiskā reģistrācija tiek veikta, izmantojot īpašas fotoemulsijas.

Infrasarkanais starojums tiek plaši izmantots zinātnē un tehnoloģijā, īpaši praktisku pētījumu problēmu risināšanai. Tiek pētīti to molekulu un cieto vielu absorbcijas un emisijas spektri, kas vienkārši iekrīt infrasarkanajā reģionā.

Šo pētījumu pieeju sauc par infrasarkano spektroskopiju, kas ļauj atrisināt strukturālās problēmas, veicot kvantitatīvu un kvalitatīvu spektrālo analīzi. Tālajā infrasarkanajā reģionā ir emisijas, ko izraisa pārejas starp atomu apakšplaknēm. Pateicoties IR spektriem, jūs varat izpētīt atomu elektronu apvalku struktūras.

Un te nemaz nerunājot par fotogrāfiju, kad viens un tas pats objekts, kas nofotografēts vispirms redzamajā un pēc tam infrasarkanajā diapazonā, izskatīsies savādāk, jo caurlaidības, izkliedes un atstarošanas atšķirības dažādām elektromagnētiskā spektra zonām, daži elementi un detaļas neparastā fotografēšanas režīmā var pilnībā pietrūkt: parastajā fotoattēlā kaut kā pietrūks, un infrasarkanajā fotoattēlā tas kļūs redzams.

Infrasarkanā starojuma izmantošanu rūpniecībā un patērētājiem nevar novērtēt par zemu. To izmanto dažādu izstrādājumu un materiālu žāvēšanai un karsēšanai rūpniecībā. Mājās telpas tiek apsildītas.

Elektrooptiskajos pārveidotājos tiek izmantoti fotokatodi, kas ir jutīgi elektromagnētiskā spektra infrasarkanajā reģionā, ļaujot redzēt to, kas ir neredzams ar neapbruņotu aci.

Nakts redzamības ierīces ļauj redzēt tumsā sakarā ar objektu apstarošanu ar infrasarkanajiem stariem, infrasarkanais binoklis - nakts novērošanai, infrasarkanais tēmēklis - tēmēšanai pilnīgā tumsā utt. Starp citu, ar infrasarkanā starojuma palīdzību jūs var reproducēt precīzu skaitītāja standartu.

Ļoti jutīgi IR viļņu uztvērēji ļauj pēc termiskā starojuma noteikt dažādu objektu virzienu, piemēram, darbojas raķešu vadības sistēmas, kas papildus rada savu IR starojumu.

Uz infrasarkanajiem stariem balstītie tālmēri un lokatori ļauj tumsā novērot atsevišķus objektus un ar augstu precizitāti izmērīt attālumu līdz tiem. IR lāzeri tiek izmantoti zinātniskos pētījumos, atmosfēras zondēšanai, kosmosa sakariem u.c.