Peter Tucker
0 
3689
559
Promieniowanie podczerwone (IR) lub światło podczerwone to rodzaj energii promienistej, która jest niewidoczna dla ludzkich oczu, ale którą możemy poczuć jako ciepło. Wszystkie obiekty we wszechświecie emitują pewien poziom promieniowania podczerwonego, ale dwa najbardziej oczywiste źródła to słońce i ogień.
IR to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, będącego ciągiem częstotliwości wytwarzanych, gdy atomy absorbują, a następnie uwalniają energię. Od najwyższej do najniższej częstotliwości, promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje promienie gamma, promienie rentgenowskie, promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne, promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Razem te rodzaje promieniowania tworzą widmo elektromagnetyczne.
Według NASA brytyjski astronom William Herschel odkrył światło podczerwone w 1800 roku. W eksperymencie mierzącym różnicę temperatur między kolorami widma widzialnego umieścił termometry na drodze światła w każdym kolorze widma widzialnego. Zaobserwował wzrost temperatury z niebieskiej na czerwoną i znalazł jeszcze cieplejszy pomiar temperatury tuż za czerwonym końcem widzialnego widma.
W widmie elektromagnetycznym fale podczerwone występują z częstotliwościami wyższymi niż mikrofale i nieco poniżej częstotliwości czerwonego światła widzialnego, stąd nazwa „podczerwień”. Fale promieniowania podczerwonego są dłuższe niż fale światła widzialnego, według California Institute of Technology (Caltech). Częstotliwości IR mieszczą się w zakresie od około 300 gigaherców (GHz) do około 400 teraherców (THz), a długości fal szacuje się na zakres od 1000 mikrometrów (µm) i 760 nanometrów (2,9921 cala), chociaż według NASA wartości te nie są ostateczne.
Podobnie jak w przypadku widma światła widzialnego, które waha się od fioletu (najkrótsza długość fali światła widzialnego) do czerwieni (najdłuższa długość fali), promieniowanie podczerwone ma swój własny zakres długości fal. Krótsze fale „bliskiej podczerwieni”, które są bliżej światła widzialnego w widmie elektromagnetycznym, nie emitują żadnego wykrywalnego ciepła i są wydzielane z pilota telewizora w celu zmiany kanałów. Według NASA dłuższe fale „dalekiej podczerwieni”, które są bliżej sekcji mikrofal w widmie elektromagnetycznym, mogą być odczuwalne jako intensywne ciepło, takie jak ciepło światła słonecznego lub ognia..
Promieniowanie podczerwone to jeden z trzech sposobów przenoszenia ciepła z jednego miejsca do drugiego, dwa pozostałe to konwekcja i przewodzenie. Wszystko o temperaturze powyżej około 5 stopni Kelvina (minus 450 stopni Fahrenheita lub minus 268 stopni Celsjusza) emituje promieniowanie podczerwone. Słońce wydziela połowę swojej całkowitej energii w postaci IR, a większość widzialnego światła gwiazdy jest absorbowana i ponownie emitowana jako IR, zgodnie z danymi z University of Tennessee.
Zastosowania domowe
Urządzenia gospodarstwa domowego, takie jak lampy grzewcze i tostery, wykorzystują promieniowanie podczerwone do przekazywania ciepła, podobnie jak grzejniki przemysłowe, takie jak te używane do suszenia i utwardzania materiałów. Żarówki zamieniają tylko około 10 procent swojej energii elektrycznej na energię światła widzialnego, podczas gdy pozostałe 90 procent jest przetwarzane na promieniowanie podczerwone, zgodnie z danymi Agencji Ochrony Środowiska..
Lasery na podczerwień mogą być używane do komunikacji punkt-punkt na odległość kilkuset metrów lub jardów. Piloty telewizyjne, które wykorzystują promieniowanie podczerwone, wysyłają impulsy energii podczerwieni z diody elektroluminescencyjnej (LED) do odbiornika podczerwieni w telewizorze, zgodnie z instrukcją How Stuff Works. Odbiornik przetwarza impulsy świetlne na sygnały elektryczne, które nakazują mikroprocesorowi wykonanie zaprogramowanego polecenia.
Wykrywanie podczerwieni
Jednym z najbardziej użytecznych zastosowań widma IR jest wykrywanie i wykrywanie. Wszystkie obiekty na Ziemi emitują promieniowanie podczerwone w postaci ciepła. Można to wykryć za pomocą czujników elektronicznych, takich jak te używane w goglach noktowizyjnych i kamerach na podczerwień.
Prostym przykładem takiego czujnika jest bolometr, który składa się z teleskopu z rezystorem wrażliwym na temperaturę lub termistorem w swoim ognisku, zgodnie z University of California, Berkeley (UCB). Jeśli w polu widzenia tego instrumentu pojawi się ciepłe ciało, ciepło spowoduje wykrywalną zmianę napięcia na termistorze.
Kamery noktowizyjne wykorzystują bardziej wyrafinowaną wersję bolometru. Kamery te zazwyczaj zawierają chipy obrazujące urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), które są wrażliwe na światło podczerwone. Obraz utworzony przez CCD można następnie odtworzyć w świetle widzialnym. Systemy te mogą być wystarczająco małe, aby można je było stosować w urządzeniach ręcznych lub noszonych okularach noktowizyjnych. Kamery mogą być również używane do celowników z dodatkiem lub bez lasera IR do celowania.
Spektroskopia w podczerwieni mierzy emisje IR z materiałów przy określonych długościach fal. Widmo IR substancji będzie wykazywać charakterystyczne spadki i piki, gdy fotony (cząsteczki światła) są absorbowane lub emitowane przez elektrony w cząsteczkach, gdy elektrony przechodzą między orbitami lub poziomami energii. Te informacje spektroskopowe można następnie wykorzystać do identyfikacji substancji i monitorowania reakcji chemicznych.
Według Roberta Mayanovica, profesora fizyki na Missouri State University, spektroskopia w podczerwieni, taka jak spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), jest bardzo przydatna w wielu zastosowaniach naukowych. Obejmują one badanie układów molekularnych i materiałów 2D, takich jak grafen.
Astronomia w podczerwieni
Caltech opisuje astronomię w podczerwieni jako „wykrywanie i badanie promieniowania podczerwonego (energii cieplnej) emitowanego przez obiekty we wszechświecie”. Postępy w systemach obrazowania CCD w podczerwieni umożliwiły szczegółową obserwację rozmieszczenia źródeł podczerwieni w przestrzeni, ujawniając złożone struktury w mgławicach, galaktykach i wielkoskalową strukturę Wszechświata.
Jedną z zalet obserwacji w podczerwieni jest to, że może wykrywać obiekty, które są zbyt chłodne, aby emitować widzialne światło. Doprowadziło to do odkrycia wcześniej nieznanych obiektów, w tym komet, asteroid i delikatnych międzygwiazdowych obłoków pyłu, które wydają się być powszechne w całej galaktyce..
Astronomia w podczerwieni jest szczególnie przydatna do obserwacji zimnych cząsteczek gazu i określania składu chemicznego cząstek pyłu w ośrodku międzygwiazdowym - powiedział Robert Patterson, profesor astronomii na Uniwersytecie Stanowym Missouri. Obserwacje te są prowadzone za pomocą specjalistycznych detektorów CCD, wrażliwych na fotony IR.
Według NASA kolejną zaletą promieniowania podczerwonego jest to, że jego dłuższa długość fali oznacza, że nie rozprasza tak bardzo, jak światło widzialne. Podczas gdy światło widzialne może być absorbowane lub odbijane przez cząsteczki gazu i pyłu, dłuższe fale IR po prostu omijają te małe przeszkody. Ze względu na tę właściwość podczerwień może być używana do obserwacji obiektów, których światło jest przesłonięte przez gaz i pył. Do takich obiektów należą nowo powstające gwiazdy osadzone w mgławicach lub w centrum galaktyki Ziemi.
Dodatkowe zasoby:
- Dowiedz się więcej o falach podczerwonych od NASA Science.
- Przeczytaj więcej o podczerwieni z Obserwatorium Gemini.
- Obejrzyj ten film opisujący widzenie w podczerwieni z National Geographic.
Ten artykuł został zaktualizowany 27 lutego 2019 r. Przez współtwórcę Traci Pedersena.