Sinaran inframerah dan aplikasinya

Sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang 0.74 mikron hingga 2 mm dipanggil dalam fizik sinaran inframerah atau sinar inframerah, disingkatkan «IR». Ia menduduki bahagian spektrum elektromagnet yang terletak di antara sinaran optik yang boleh dilihat (berasal dari kawasan merah) dan julat frekuensi radio gelombang pendek.

Walaupun sinaran inframerah secara praktikalnya tidak dilihat oleh mata manusia sebagai cahaya dan tidak mempunyai sebarang warna tertentu, namun ia tergolong dalam sinaran optik dan digunakan secara meluas dalam teknologi moden.

Gelombang inframerah, yang merupakan ciri, memanaskan permukaan badan, itulah sebabnya sinaran inframerah juga sering dipanggil sinaran terma. Seluruh kawasan inframerah dibahagikan secara bersyarat kepada tiga bahagian:

• rantau inframerah jauh — dengan panjang gelombang dari 50 hingga 2000 mikron;

• rantau pertengahan IR — dengan panjang gelombang dari 2.5 hingga 50 mikron;

• berhampiran kawasan inframerah — dari 0.74 hingga 2.5 mikron.

Sinaran inframerah ditemui pada tahun 1800-an.oleh ahli astronomi Inggeris William Herschel, dan kemudiannya, pada tahun 1802, secara bebas oleh saintis Inggeris William Wollaston.

Spektrum IR

Spektrum atom yang diperolehi dalam bentuk sinar inframerah adalah linear; spektrum jirim pekat — berterusan; spektrum molekul berjalur. Kesimpulannya ialah untuk sinar inframerah, berbanding dengan kawasan spektrum elektromagnet yang kelihatan dan ultraungu, sifat optik bahan, seperti pekali pantulan, penghantaran, pembiasan, sangat berbeza.

Kebanyakan bahan, walaupun ia menghantar cahaya yang boleh dilihat, ternyata menjadi legap kepada gelombang di sebahagian daripada julat inframerah.

Sebagai contoh, lapisan air setebal beberapa sentimeter adalah legap kepada gelombang inframerah lebih panjang daripada 1 mikron, dan dalam beberapa keadaan boleh digunakan sebagai penapis perlindungan haba. Dan lapisan germanium atau silikon tidak menghantar cahaya yang kelihatan, tetapi menghantar sinar inframerah dengan panjang gelombang tertentu dengan baik. Sinar inframerah jauh mudah dihantar oleh kertas hitam dan boleh berfungsi sebagai penapis untuk pengasingannya.

Kebanyakan logam, seperti aluminium, emas, perak dan tembaga, memantulkan sinaran inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang, contohnya, pada panjang gelombang inframerah 10 mikron, pantulan daripada logam mencapai 98%. Pepejal dan cecair yang bersifat bukan logam mencerminkan hanya sebahagian daripada julat IR, bergantung kepada komposisi kimia bahan tertentu. Oleh kerana ciri-ciri interaksi sinar inframerah dengan pelbagai media ini, ia berjaya digunakan dalam banyak kajian.

Penyebaran inframerah

Gelombang inframerah yang dipancarkan oleh Matahari yang melalui atmosfera Bumi sebahagiannya bertaburan dan dilemahkan oleh molekul udara dan atom. Oksigen dan nitrogen di atmosfera sebahagiannya melemahkan sinar inframerah, menyerakkannya, tetapi tidak menyerapnya sepenuhnya, kerana ia menyerap sebahagian daripada sinar spektrum yang kelihatan.

Air, karbon dioksida, dan ozon yang terkandung dalam atmosfera menyerap sebahagian sinar inframerah, dan air paling banyak menyerapnya kerana spektrum penyerapan inframerahnya jatuh ke seluruh kawasan spektrum inframerah, dan spektrum penyerapan karbon dioksida hanya jatuh di kawasan tengah. .

Lapisan atmosfera berhampiran permukaan Bumi menghantar sangat sedikit sinaran inframerah, kerana asap, habuk dan air semakin melemahkannya, menyerakkan tenaga ke zarahnya. Semakin kecil zarah (asap, habuk, air, dll.), kurang serakan IR dan serakan panjang gelombang lebih kelihatan. Kesan ini digunakan dalam fotografi inframerah.

Sumber sinaran inframerah

Bagi kita yang hidup di Bumi, Matahari adalah sumber sinaran inframerah semulajadi yang sangat berkuasa kerana separuh daripada spektrum elektromagnetnya berada dalam julat inframerah. Lampu pijar, spektrum inframerah adalah sehingga 80% daripada tenaga sinaran.

Juga, sumber tiruan sinaran inframerah termasuk: arka elektrik, lampu nyahcas gas dan, sudah tentu, pemanas isi rumah unsur pemanasan.Dalam sains, untuk mendapatkan gelombang inframerah, pin Nernst, filamen tungsten, serta lampu merkuri tekanan tinggi dan juga laser IR khas digunakan (kaca neodymium memberikan panjang gelombang 1.06 mikron, dan laser helium-neon - 1.15 dan 3.39 mikron, karbon dioksida - 10.6 mikron).

Penerima IR

Prinsip operasi penerima gelombang inframerah adalah berdasarkan penukaran tenaga sinaran kejadian kepada bentuk tenaga lain yang tersedia untuk pengukuran dan penggunaan. Sinaran inframerah yang diserap dalam penerima memanaskan unsur termosensitif dan kenaikan suhu direkodkan.

Penerima IR fotoelektrik menjana voltan dan arus elektrik sebagai tindak balas kepada bahagian sempit khusus spektrum IR yang direka bentuk untuk beroperasi, iaitu penerima fotoelektrik IR adalah selektif. Untuk gelombang IR dalam julat sehingga 1.2 μm, pendaftaran fotografi dijalankan menggunakan emulsi fotografi khas.

Sinaran inframerah digunakan secara meluas dalam sains dan teknologi, terutamanya untuk menyelesaikan masalah penyelidikan praktikal. Spektrum penyerapan dan pelepasan molekul dan pepejal yang hanya jatuh ke kawasan inframerah dikaji.

Pendekatan penyelidikan ini dipanggil spektroskopi inframerah, yang membolehkan menyelesaikan masalah struktur dengan melakukan analisis spektrum kuantitatif dan kualitatif. Kawasan inframerah jauh mengandungi pelepasan yang disebabkan oleh peralihan antara subplanes atom. Terima kasih kepada spektrum IR, anda boleh mengkaji struktur kulit elektron atom.

Dan ini belum lagi fotografi, apabila objek yang sama difoto pertama dalam boleh dilihat dan kemudian dalam julat inframerah akan kelihatan berbeza, kerana disebabkan oleh perbezaan dalam penghantaran, penyebaran dan pantulan untuk kawasan yang berbeza spektrum elektromagnet, beberapa elemen dan butiran dalam mod penangkapan foto yang luar biasa mungkin hilang sepenuhnya: dalam foto biasa, sesuatu akan hilang, dan dalam foto inframerah ia akan kelihatan.

Penggunaan industri dan pengguna sinaran inframerah tidak boleh dipandang remeh. Ia digunakan untuk mengeringkan dan memanaskan pelbagai produk dan bahan dalam industri. Di dalam rumah, premis dipanaskan.

Transduser elektro-optik menggunakan fotokatod yang sensitif di kawasan inframerah spektrum elektromagnet, membolehkan anda melihat apa yang tidak dapat dilihat dengan mata kasar.

Peranti penglihatan malam membolehkan anda melihat dalam gelap kerana penyinaran objek dengan sinar inframerah, teropong inframerah - untuk pemerhatian malam, pemandangan inframerah - untuk menyasarkan dalam kegelapan sepenuhnya, dll. Dengan cara ini, dengan bantuan sinaran inframerah, anda boleh menghasilkan semula standard meter yang tepat.

Penerima gelombang IR yang sangat sensitif membenarkan penentuan arah pelbagai objek dengan sinaran haba mereka, contohnya, sistem panduan peluru berpandu berfungsi, yang juga menjana sinaran IR mereka sendiri.

Pencari jarak dan pencari berdasarkan sinar inframerah membolehkan anda memerhati beberapa objek dalam gelap dan mengukur jarak ke objek tersebut dengan ketepatan yang tinggi. Laser IR digunakan dalam penyelidikan saintifik, untuk menyelidik atmosfera, untuk komunikasi angkasa, dan banyak lagi.