Infraraudonoji spinduliuotė ir jos pritaikymai

Elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo 0,74 mikrono iki 2 mm, fizikoje vadinama infraraudonaisiais spinduliais arba infraraudonaisiais spinduliais, sutrumpintai „IR“. Jis užima tą elektromagnetinio spektro dalį, esančią tarp matomos optinės spinduliuotės (kylančios raudonojoje srityje) ir trumpųjų bangų radijo dažnių diapazono.

Nors infraraudonosios spinduliuotės žmogaus akis praktiškai nesuvokia kaip šviesą ir neturi specifinės spalvos, vis dėlto ji priklauso optinei spinduliuotei ir yra plačiai naudojama šiuolaikinėse technologijose.

Būdingos infraraudonosios bangos šildo kūnų paviršius, todėl infraraudonoji spinduliuotė dar dažnai vadinama šilumine spinduliuote. Visas infraraudonųjų spindulių regionas sąlygiškai padalintas į tris dalis:

• tolimoji infraraudonųjų spindulių sritis - su bangų ilgiais nuo 50 iki 2000 mikronų;

• Vidutinė IR sritis - bangos ilgiai nuo 2,5 iki 50 mikronų;

• šalia infraraudonųjų spindulių - nuo 0,74 iki 2,5 mikrono.

Infraraudonoji spinduliuotė buvo atrasta 1800 m.anglų astronomas Williamas Herschelis, o vėliau, 1802 m., savarankiškai – anglų mokslininkas Williamas Wollastonas.

IR spektrai

Atominiai spektrai, gauti infraraudonųjų spindulių pavidalu, yra tiesiniai; kondensuotųjų medžiagų spektrai — ištisiniai; molekuliniai spektrai yra juostiniai. Peršasi išvada, kad infraraudoniesiems spinduliams, lyginant su matomuoju ir ultravioletiniu elektromagnetinio spektro sritimis, labai skiriasi medžiagų optinės savybės, tokios kaip atspindžio koeficientas, pralaidumas, lūžis.

Daugelis medžiagų, nors ir praleidžia matomą šviesą, yra nepermatomos infraraudonųjų spindulių diapazono bangoms.

Pavyzdžiui, kelių centimetrų storio vandens sluoksnis yra nepermatomas ilgesnėms nei 1 mikrono infraraudoniesiems bangoms ir tam tikromis sąlygomis gali būti naudojamas kaip šiluminės apsaugos filtras. O germanio ar silicio sluoksniai praleidžia ne matomą šviesą, o gerai praleidžia tam tikro bangos ilgio infraraudonuosius spindulius. Tolimieji infraraudonieji spinduliai lengvai perduodami juodu popieriumi ir gali būti jų izoliavimo filtras.

Dauguma metalų, tokių kaip aliuminis, auksas, sidabras ir varis, infraraudonąją spinduliuotę atspindi ilgesniu bangos ilgiu, pavyzdžiui, esant 10 mikronų infraraudonųjų spindulių bangos ilgiui, atspindys nuo metalų siekia 98%. Nemetalinės kietosios medžiagos ir skysčiai atspindi tik dalį IR diapazono, priklausomai nuo konkrečios medžiagos cheminės sudėties. Dėl šių infraraudonųjų spindulių sąveikos su įvairiomis terpėmis ypatybių jie sėkmingai naudojami daugelyje tyrimų.

Infraraudonųjų spindulių sklaida

Saulės skleidžiamos infraraudonosios bangos, einančios per Žemės atmosferą, iš dalies yra išsklaidytos ir susilpnintos oro molekulių ir atomų. Atmosferoje esantis deguonis ir azotas iš dalies susilpnina infraraudonuosius spindulius, juos išsklaido, tačiau visiškai nesugeria, nes sugeria dalį matomo spektro spindulių.

Atmosferoje esantis vanduo, anglies dioksidas ir ozonas iš dalies sugeria infraraudonuosius spindulius, o vanduo juos sugeria labiausiai, nes jo infraraudonųjų spindulių sugerties spektrai patenka į visą infraraudonųjų spindulių spektro sritį, o anglies dioksido sugerties spektrai patenka tik į vidurinę sritį. .

Netoli Žemės paviršiaus esantys atmosferos sluoksniai praleidžia labai mažai infraraudonosios spinduliuotės, nes dūmai, dulkės ir vanduo ją dar labiau susilpnina, išsklaidydami energiją ant savo dalelių. Kuo mažesnės dalelės (dūmai, dulkės, vanduo ir kt.), tuo mažesnė IR sklaida ir labiau matoma bangos ilgio sklaida. Šis efektas naudojamas infraraudonųjų spindulių fotografijoje.

Infraraudonosios spinduliuotės šaltiniai

Mums, gyvenantiems Žemėje, Saulė yra labai galingas natūralus infraraudonosios spinduliuotės šaltinis, nes pusė jos elektromagnetinio spektro yra infraraudonųjų spindulių diapazone. Kaitinamosios lempos, infraraudonųjų spindulių spektras sudaro iki 80% spinduliuotės energijos.

Taip pat dirbtiniai infraraudonosios spinduliuotės šaltiniai yra: elektros lankas, dujų išlydžio lempos ir, žinoma, buitiniai šildymo elementų šildytuvai.Moksle infraraudonosioms bangoms gauti naudojamas Nernsto kaištis, volframo gijos, taip pat aukšto slėgio gyvsidabrio lempos ir net specialūs IR lazeriai (neodimio stiklas suteikia 1,06 mikrono bangos ilgį, o helio-neono lazeris - 1,15 ir 3,39). mikronų, anglies dioksido – 10,6 mikronų).

IR imtuvai

Infraraudonųjų bangų imtuvų veikimo principas pagrįstas krintančios spinduliuotės energijos pavertimu kitomis energijos formomis, kurias galima matuoti ir naudoti. Imtuve sugerta infraraudonoji spinduliuotė įkaitina šilumai jautrų elementą ir fiksuojamas temperatūros kilimas.

Fotoelektriniai IR imtuvai generuoja elektros įtampą ir srovę reaguodami į konkrečią siaurą IR spektro dalį, kuriai jie skirti veikti, tai yra, IR fotoelektriniai imtuvai yra selektyvūs. IR bangoms, kurių diapazonas yra iki 1,2 μm, fotografinė registracija atliekama naudojant specialias fotografines emulsijas.

Infraraudonoji spinduliuotė plačiai naudojama moksle ir technikoje, ypač sprendžiant praktines tyrimų problemas. Tiriami molekulių ir kietųjų medžiagų, kurios tiesiog patenka į infraraudonųjų spindulių sritį, absorbcijos ir emisijos spektrai.

Toks tyrimo metodas vadinamas infraraudonųjų spindulių spektroskopija, leidžiančia spręsti struktūrines problemas, atliekant kiekybinę ir kokybinę spektrinę analizę. Tolimojoje infraraudonųjų spindulių srityje yra emisijos, kurias sukelia perėjimai tarp atominių plokštumų. IR spektrų dėka galite ištirti atomų elektronų apvalkalų struktūras.

Ir jau nekalbant apie fotografiją, kai tas pats objektas, nufotografuotas iš pradžių matomame, o paskui infraraudonajame diapazone, atrodys kitaip, nes dėl perdavimo, sklaidos ir atspindžio skirtumo skirtingoms elektromagnetinio spektro sritims, kai kurie elementai ir detalės neįprastu fotografavimo režimu gali visiškai trūkti: įprastoje nuotraukoje kažko trūks, o infraraudonųjų spindulių nuotraukoje tai taps matoma.

Negalima nuvertinti infraraudonosios spinduliuotės naudojimo pramonėje ir vartotojams. Pramonėje naudojamas įvairių gaminių ir medžiagų džiovinimui ir šildymui. Namuose patalpos šildomos.

Elektrooptiniuose keitikliuose naudojami fotokatodai, kurie yra jautrūs elektromagnetinio spektro infraraudonųjų spindulių srityje, leidžiančius matyti tai, kas nematoma plika akimi.

Naktinio matymo prietaisai leidžia matyti tamsoje dėl objektų apšvitinimo infraraudonaisiais spinduliais, infraraudonieji žiūronai – naktiniam stebėjimui, infraraudonieji taikikliai – taikymuisi visiškoje tamsoje ir pan.. Beje, infraraudonųjų spindulių pagalba Jūs gali atkurti tikslų skaitiklio standartą.

Itin jautrūs IR bangų imtuvai leidžia pagal jų šiluminę spinduliuotę nustatyti įvairių objektų kryptį, pavyzdžiui, veikia raketų nukreipimo sistemos, kurios papildomai generuoja savo IR spinduliuotę.

Infraraudonaisiais spinduliais paremti tolimačiai ir lokatoriai leidžia tamsoje stebėti kai kuriuos objektus ir itin tiksliai išmatuoti atstumą iki jų. IR lazeriai naudojami moksliniams tyrimams, atmosferos zondavimui, erdvės komunikacijoms ir kt.