Infrapunakiirgus ja selle rakendused

Elektromagnetkiirgust lainepikkusega 0,74 mikronit kuni 2 mm nimetatakse füüsikas infrapunakiirguseks või infrapunakiirteks, lühendatult "IR". See hõivab selle osa elektromagnetilisest spektrist, mis jääb nähtava optilise kiirguse (mis pärineb punasest piirkonnast) ja lühilaine raadiosagedusvahemiku vahel.

Kuigi infrapunakiirgust inimsilm praktiliselt valgusena ei taju ja sellel ei ole mingit kindlat värvi, kuulub see siiski optilise kiirguse hulka ja on tänapäevases tehnoloogias laialdaselt kasutusel.

Iseloomulikud infrapunalained soojendavad kehade pindu, mistõttu infrapunakiirgust nimetatakse sageli ka soojuskiirguseks. Kogu infrapunapiirkond on tinglikult jagatud kolmeks osaks:

• kauge infrapuna piirkond - lainepikkusega 50 kuni 2000 mikronit;

• keskmine infrapunapiirkond - lainepikkustega 2,5 kuni 50 mikronit;

• infrapuna lähedal - 0,74 kuni 2,5 mikronit.

Infrapunakiirgus avastati 1800. aastatel.Inglise astronoom William Herschel ja hiljem, 1802. aastal, iseseisvalt inglise teadlane William Wollaston.

IR spektrid

Infrapunakiirte kujul saadud aatomispektrid on lineaarsed; kondenseerunud aine spektrid — pidevad; molekulaarspektrid on ribadega. Järeldus on, et infrapunakiirte puhul on elektromagnetilise spektri nähtava ja ultraviolettkiirguse piirkonnaga võrreldes ainete optilised omadused, nagu peegelduskoefitsient, läbilaskvus, murdumine, väga erinevad.

Paljud ained, kuigi nad edastavad nähtavat valgust, osutuvad infrapunakiirguse osa lainetele läbipaistmatuks.

Näiteks mitme sentimeetri paksune veekiht on üle 1 mikroni pikkuste infrapunalainete suhtes läbipaistmatu ja teatud tingimustel saab seda kasutada termokaitsefiltrina. Ja germaaniumi või räni kihid ei lase nähtavat valgust, vaid läbivad hästi teatud lainepikkusega infrapunakiiri. Kaug-infrapunakiired edastatakse hõlpsalt musta paberi kaudu ja need võivad olla nende isoleerimise filtriks.

Enamik metalle, nagu alumiinium, kuld, hõbe ja vask, peegeldavad infrapunakiirgust pikema lainepikkusega, näiteks infrapuna lainepikkusel 10 mikronit ulatub peegeldus metallidelt 98%-ni. Tahked ained ja mittemetallilised vedelikud peegeldavad ainult osa IR-vahemikust, olenevalt konkreetse aine keemilisest koostisest. Tänu nendele infrapunakiirte ja erinevate meediumide koostoime tunnustele kasutatakse neid edukalt paljudes uuringutes.

Infrapuna hajumine

Maa atmosfääri läbivad Päikese kiirgavad infrapunalained on osaliselt hajutatud ja nõrgestatud õhumolekulide ja aatomite poolt. Hapnik ja lämmastik atmosfääris nõrgendavad osaliselt infrapunakiiri, hajutades neid, kuid ei neela neid täielikult, kuna need neelavad osa nähtava spektri kiirtest.

Atmosfääris sisalduv vesi, süsinikdioksiid ja osoon neelavad infrapunakiiri osaliselt ja vesi neelab neid kõige rohkem, kuna selle infrapuna neeldumisspektrid langevad üle kogu infrapunaspektri piirkonna ja süsinikdioksiidi neeldumisspektrid langevad ainult keskmisesse piirkonda. .

Maapinna lähedal asuvad atmosfääri kihid edastavad väga vähe infrapunakiirgust, kuna suits, tolm ja vesi nõrgendavad seda veelgi, hajutades energiat oma osakestele. Mida väiksemad on osakesed (suits, tolm, vesi jne), seda vähem IR hajumist ja rohkem nähtavat lainepikkuse hajumist. Seda efekti kasutatakse infrapunafotograafias.

Infrapunakiirguse allikad

Meie, Maal elavate inimeste jaoks on Päike väga võimas looduslik infrapunakiirguse allikas, kuna pool selle elektromagnetilisest spektrist asub infrapunakiirguse vahemikus. Hõõglambid, infrapunaspekter on kuni 80% kiirgusenergiast.

Samuti on infrapunakiirguse kunstlikud allikad: elektrikaar, gaaslahenduslambid ja loomulikult küttekehade küttekehad.Teaduses kasutatakse infrapunalainete saamiseks Nernsti tihvti, volframniite, aga ka kõrgsurve elavhõbedalampe ja isegi spetsiaalseid IR lasereid (neodüümklaas annab lainepikkuseks 1,06 mikronit ja heelium-neoonlaser - 1,15 ja 3,39). mikronit, süsinikdioksiid - 10,6 mikronit).

IR vastuvõtjad

Infrapunalaine vastuvõtjate tööpõhimõte põhineb langeva kiirguse energia muundamisel muudeks mõõtmiseks ja kasutamiseks saadaolevateks energialiikideks. Vastuvõtjas neeldunud infrapunakiirgus soojendab termotundlikku elementi ja registreeritakse temperatuuri tõus.

Fotoelektrilised IR-vastuvõtjad genereerivad elektrilist pinget ja voolu vastuseks IR-spektri konkreetsele kitsale osale, mille jaoks need on ette nähtud töötama, see tähendab, et IR-fotoelektrilised vastuvõtjad on selektiivsed. IR-lainete puhul vahemikus kuni 1,2 μm toimub fotograafiline registreerimine spetsiaalsete fotoemulsioonide abil.

Infrapunakiirgust kasutatakse laialdaselt teaduses ja tehnoloogias, eriti praktiliste uurimisprobleemide lahendamisel. Uuritakse just infrapunapiirkonda sattuvate molekulide ja tahkete ainete neeldumis- ja emissioonispektreid.

Sellist uurimismeetodit nimetatakse infrapunaspektroskoopiaks, mis võimaldab lahendada struktuurseid probleeme kvantitatiivse ja kvalitatiivse spektraalanalüüsi tegemise teel. Kaug-infrapunane piirkond sisaldab heitmeid, mis on põhjustatud aatomi alamtasandite vahelistest üleminekutest. Tänu IR-spektritele saate uurida aatomite elektronkestade struktuure.

Rääkimata fotograafiast, kui sama objekt, mis on esmalt pildistatud nähtavas ja seejärel infrapunases vahemikus, näeb välja erinev, kuna elektromagnetilise spektri erinevate piirkondade ülekande, hajumise ja peegelduse erinevuse tõttu on mõned elemendid ja detailid. ebatavalises pildistamisrežiimis võib täiesti puududa: tavalisel fotol jääb midagi puudu ja infrapunafotol muutub see nähtavaks.

Infrapunakiirguse tööstuslikku ja tarbijakasutust ei saa alahinnata. Seda kasutatakse tööstuses erinevate toodete ja materjalide kuivatamiseks ja soojendamiseks. Majades on ruumid köetavad.

Elektro-optilistes muundurites kasutatakse fotokatoode, mis on tundlikud elektromagnetilise spektri infrapunapiirkonnas, võimaldades näha seda, mis on palja silmaga nähtamatu.

Öönägemisseadmed võimaldavad näha pimedas tänu objektide infrapunakiirgusega kiiritamisele, infrapunabinoklid - öövaatluseks, infrapunasihikud - täielikus pimeduses sihtimiseks jne. Muide, infrapunakiirguse abil saate suudab reprodutseerida täpset arvesti standardit.

IR-lainete ülitundlikud vastuvõtjad võimaldavad määrata erinevate objektide suunda nende soojuskiirguse järgi, näiteks töötavad rakettide juhtimissüsteemid, mis täiendavalt genereerivad oma IR-kiirgust.

Infrapunakiirtel põhinevad kaugusmõõturid ja lokaatorid võimaldavad pimedas vaadelda mõningaid objekte ja mõõta nendeni suure täpsusega kaugust. IR lasereid kasutatakse teadusuuringutes, atmosfääri sondeerimiseks, kosmosesideks ja muuks.