Η υπέρυθρη ακτινοβολία και οι εφαρμογές της

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος από 0,74 μικρά έως 2 mm ονομάζεται στη φυσική υπέρυθρη ακτινοβολία ή υπέρυθρες ακτίνες, συντομογραφία «IR». Καταλαμβάνει εκείνο το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που βρίσκεται μεταξύ της ορατής οπτικής ακτινοβολίας (που προέρχεται από την κόκκινη περιοχή) και της περιοχής ραδιοσυχνοτήτων βραχέων κυμάτων.

Αν και η υπέρυθρη ακτινοβολία πρακτικά δεν γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι ως φως και δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο χρώμα, εντούτοις ανήκει στην οπτική ακτινοβολία και χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία.

Τα υπέρυθρα κύματα, που είναι χαρακτηριστικά, θερμαίνουν τις επιφάνειες των σωμάτων, γι' αυτό και η υπέρυθρη ακτινοβολία συχνά ονομάζεται και θερμική ακτινοβολία. Ολόκληρη η υπέρυθρη περιοχή χωρίζεται υπό όρους σε τρία μέρη:

• μακρινή υπέρυθρη περιοχή — με μήκη κύματος από 50 έως 2000 μικρά.

• περιοχή mid-IR — με μήκη κύματος από 2,5 έως 50 μικρά.

• κοντά στην υπέρυθρη περιοχή — από 0,74 έως 2,5 μικρά.

Η υπέρυθρη ακτινοβολία ανακαλύφθηκε το 1800.από τον Άγγλο αστρονόμο William Herschel, και αργότερα, το 1802, ανεξάρτητα από τον Άγγλο επιστήμονα William Wollaston.

Φάσματα υπερύθρων

Τα ατομικά φάσματα που λαμβάνονται με τη μορφή υπέρυθρων ακτίνων είναι γραμμικά. φάσματα συμπυκνωμένης ύλης — συνεχές. τα μοριακά φάσματα είναι λωρίδες. Το συμπέρασμα είναι ότι για τις υπέρυθρες ακτίνες, σε σύγκριση με τις ορατές και υπεριώδεις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι οπτικές ιδιότητες των ουσιών, όπως ο συντελεστής ανάκλασης, μετάδοσης, διάθλασης, είναι πολύ διαφορετικές.

Πολλές από τις ουσίες, αν και μεταδίδουν ορατό φως, αποδεικνύονται αδιαφανείς στα κύματα σε μέρος της υπέρυθρης εμβέλειας.

Για παράδειγμα, ένα στρώμα νερού πάχους πολλών εκατοστών είναι αδιαφανές σε υπέρυθρα κύματα μήκους μεγαλύτερου από 1 micron και υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο θερμικής προστασίας. Και τα στρώματα γερμανίου ή πυριτίου δεν μεταδίδουν ορατό φως, αλλά μεταδίδουν υπέρυθρες ακτίνες συγκεκριμένου μήκους κύματος καλά. Οι μακρινές υπέρυθρες ακτίνες μεταδίδονται εύκολα με μαύρο χαρτί και μπορούν να χρησιμεύσουν ως φίλτρο για την απομόνωσή τους.

Τα περισσότερα μέταλλα, όπως το αλουμίνιο, ο χρυσός, ο άργυρος και ο χαλκός, αντανακλούν υπέρυθρη ακτινοβολία με μεγαλύτερο μήκος κύματος, για παράδειγμα, σε υπέρυθρο μήκος κύματος 10 microns, η ανάκλαση από μέταλλα φτάνει το 98%. Στερεά και υγρά μη μεταλλικής φύσης αντικατοπτρίζουν μόνο μέρος της περιοχής IR, ανάλογα με τη χημική σύνθεση μιας συγκεκριμένης ουσίας. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών της αλληλεπίδρασης των υπέρυθρων ακτίνων με διάφορα μέσα, χρησιμοποιούνται με επιτυχία σε πολλές μελέτες.

Υπέρυθρη σκέδαση

Τα υπέρυθρα κύματα που εκπέμπονται από τον Ήλιο που διέρχονται από την ατμόσφαιρα της Γης είναι μερικώς διασκορπισμένα και εξασθενημένα από τα μόρια και τα άτομα του αέρα. Το οξυγόνο και το άζωτο στην ατμόσφαιρα εξασθενούν εν μέρει τις υπέρυθρες ακτίνες, διασκορπίζοντάς τις, αλλά δεν τις απορροφούν πλήρως, αφού απορροφούν μέρος των ακτίνων του ορατού φάσματος.

Το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα και το όζον που περιέχονται στην ατμόσφαιρα απορροφούν εν μέρει τις υπέρυθρες ακτίνες και το νερό τις απορροφά περισσότερο επειδή τα φάσματα απορρόφησης υπέρυθρων πέφτουν σε ολόκληρη την περιοχή του υπέρυθρου φάσματος και τα φάσματα απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα πέφτουν μόνο στη μεσαία περιοχή .

Τα στρώματα της ατμόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια της Γης μεταδίδουν πολύ λίγη υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς ο καπνός, η σκόνη και το νερό την εξασθενούν περαιτέρω, διασκορπίζοντας την ενέργεια στα σωματίδια τους. Όσο μικρότερα είναι τα σωματίδια (καπνός, σκόνη, νερό κ.λπ.), λιγότερη σκέδαση υπερύθρων και πιο ορατή σκέδαση μήκους κύματος. Αυτό το εφέ χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη φωτογραφία.

Πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας

Για εμάς που ζούμε στη Γη, ο Ήλιος είναι μια πολύ ισχυρή φυσική πηγή υπέρυθρης ακτινοβολίας, επειδή το ήμισυ του ηλεκτρομαγνητικού του φάσματος βρίσκεται στην υπέρυθρη περιοχή. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως, το υπέρυθρο φάσμα είναι έως και το 80% της ενέργειας ακτινοβολίας.

Επίσης, οι τεχνητές πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας περιλαμβάνουν: ηλεκτρικό τόξο, λαμπτήρες εκκένωσης αερίου και, φυσικά, οικιακές θερμάστρες θερμαντικών στοιχείων.Στην επιστήμη, για τη λήψη υπέρυθρων κυμάτων, χρησιμοποιούνται ο πείρος Nernst, νήματα βολφραμίου, καθώς και λαμπτήρες υδραργύρου υψηλής πίεσης, ακόμη και ειδικά λέιζερ υπερύθρων (το γυαλί νεοδυμίου δίνει μήκος κύματος 1,06 μικρά και ένα λέιζερ ηλίου-νέον - 1,15 και 3,39 μικρά, διοξείδιο του άνθρακα — 10,6 μικρά).

δέκτες υπερύθρων

Η αρχή λειτουργίας των δεκτών υπέρυθρων κυμάτων βασίζεται στη μετατροπή της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε άλλες μορφές ενέργειας που είναι διαθέσιμες για μέτρηση και χρήση. Η υπέρυθρη ακτινοβολία που απορροφάται στον δέκτη θερμαίνει το θερμοευαίσθητο στοιχείο και καταγράφεται αύξηση της θερμοκρασίας.

Οι φωτοηλεκτρικοί δέκτες υπερύθρων παράγουν ηλεκτρική τάση και ρεύμα ως απόκριση σε ένα συγκεκριμένο στενό τμήμα του φάσματος IR για το οποίο έχουν σχεδιαστεί να λειτουργούν, δηλαδή οι φωτοηλεκτρικοί δέκτες υπερύθρων είναι επιλεκτικοί. Για κύματα υπερύθρων στο εύρος έως 1,2 μm, η φωτογραφική καταγραφή πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών φωτογραφικών γαλακτωμάτων.

Η υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία, ειδικά για την επίλυση πρακτικών ερευνητικών προβλημάτων. Μελετώνται τα φάσματα απορρόφησης και εκπομπής μορίων και στερεών που μόλις πέφτουν στην υπέρυθρη περιοχή.

Αυτή η προσέγγιση στην έρευνα ονομάζεται φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας, η οποία επιτρέπει την επίλυση δομικών προβλημάτων με την εκτέλεση ποσοτικής και ποιοτικής φασματικής ανάλυσης. Η μακρινή υπέρυθρη περιοχή περιέχει εκπομπές που προκαλούνται από μεταβάσεις μεταξύ ατομικών υποεπιπέδων. Χάρη στα φάσματα υπερύθρων, μπορείτε να μελετήσετε τις δομές των ηλεκτρονίων των ατόμων.

Και αυτό για να μην αναφέρουμε τη φωτογραφία, όταν το ίδιο αντικείμενο που φωτογραφίζεται πρώτα στο ορατό και μετά στο υπέρυθρο εύρος θα φαίνεται διαφορετικό, επειδή λόγω της διαφοράς στη μετάδοση, τη σκέδαση και την ανάκλαση για διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ορισμένα στοιχεία και λεπτομέρειες σε μια ασυνήθιστη λειτουργία λήψης φωτογραφιών μπορεί να λείπει εντελώς: σε μια συνηθισμένη φωτογραφία, κάτι θα λείπει και σε μια υπέρυθρη φωτογραφία θα γίνει ορατό.

Οι βιομηχανικές και καταναλωτικές χρήσεις της υπέρυθρης ακτινοβολίας δεν μπορούν να υποτιμηθούν. Χρησιμοποιείται για ξήρανση και θέρμανση διαφόρων προϊόντων και υλικών στη βιομηχανία. Στα σπίτια, οι χώροι θερμαίνονται.

Οι ηλεκτροοπτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν φωτοκαθόδους που είναι ευαίσθητες στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, επιτρέποντάς σας να δείτε ό,τι είναι αόρατο με γυμνό μάτι.

Οι συσκευές νυχτερινής όρασης σάς επιτρέπουν να βλέπετε στο σκοτάδι λόγω της ακτινοβολίας αντικειμένων με υπέρυθρες ακτίνες, υπέρυθρες κιάλια - για νυχτερινή παρατήρηση, υπέρυθρες σκοπευτικές εικόνες - για στόχευση σε απόλυτο σκοτάδι κ.λπ. Παρεμπιπτόντως, με τη βοήθεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας, μπορεί να αναπαράγει το ακριβές πρότυπο μετρητή.

Οι εξαιρετικά ευαίσθητοι δέκτες κυμάτων IR επιτρέπουν τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης διαφόρων αντικειμένων με τη θερμική τους ακτινοβολία, για παράδειγμα, λειτουργούν συστήματα καθοδήγησης πυραύλων, τα οποία επιπλέον παράγουν τη δική τους ακτινοβολία υπερύθρων.

Οι ανιχνευτές εύρους και οι εντοπιστές που βασίζονται σε υπέρυθρες ακτίνες επιτρέπουν την παρατήρηση ορισμένων αντικειμένων στο σκοτάδι και τη μέτρηση της απόστασης από αυτά με υψηλή ακρίβεια. Τα λέιζερ υπερύθρων χρησιμοποιούνται στην επιστημονική έρευνα, για ανίχνευση της ατμόσφαιρας, για διαστημικές επικοινωνίες και πολλά άλλα.