Infrarotstrahlung (IR) oder Infrarotlicht ist eine Art von Strahlungsenergie, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, die wir jedoch als Wärme empfinden können. Alle Objekte im Universum emittieren ein gewisses Maß an IR-Strahlung, aber zwei der offensichtlichsten Quellen sind die Sonne und das Feuer.IR ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, ein Kontinuum von Frequenzen, die erzeugt werden, wenn Atome Energie absorbieren und dann freisetzen. Von der höchsten bis zur niedrigsten Frequenz umfasst elektromagnetische Strahlung Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen. Zusammen bilden diese Strahlungsarten das elektromagnetische Spektrum.Der britische Astronom William Herschel entdeckte laut NASA im Jahr 1800 Infrarotlicht. In einem Experiment zur Messung des Temperaturunterschieds zwischen den Farben im sichtbaren Spektrum platzierte er Thermometer im Lichtweg innerhalb jeder Farbe des sichtbaren Spektrums. Er beobachtete einen Temperaturanstieg von blau nach Rot und fand eine noch wärmere Temperaturmessung direkt hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums.
Innerhalb des elektromagnetischen Spektrums treten Infrarotwellen mit Frequenzen auf, die über denen von Mikrowellen und knapp unter denen von rotem sichtbarem Licht liegen, daher der Name „Infrarot.“ Wellen der Infrarotstrahlung sind länger als die des sichtbaren Lichts, so das California Institute of Technology (Caltech). IR-Frequenzen reichen von etwa 300 Gigahertz (GHz) bis zu etwa 400 Terahertz (THz), und Wellenlängen werden zwischen 1.000 Mikrometer (µm) und 760 Nanometer (2,9921 Zoll) geschätzt, obwohl diese Werte laut NASA nicht endgültig sind.Ähnlich wie das Spektrum des sichtbaren Lichts, das von Violett (der kürzesten Wellenlänge des sichtbaren Lichts) bis Rot (der längsten Wellenlänge) reicht, hat Infrarotstrahlung einen eigenen Wellenlängenbereich. Die kürzeren „Nahinfrarot“ -Wellen, die näher am sichtbaren Licht des elektromagnetischen Spektrums liegen, emittieren keine nachweisbare Wärme und werden von einer TV-Fernbedienung abgegeben, um die Kanäle zu wechseln. Die längeren „fernen Infrarot“ -Wellen, die näher am Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen, können laut NASA als intensive Hitze empfunden werden, wie die Hitze von Sonnenlicht oder Feuer.IR-Strahlung ist eine der drei Arten, wie Wärme von einem Ort zum anderen übertragen wird, die anderen beiden sind Konvektion und Leitung. Alles mit einer Temperatur über etwa 5 Grad Kelvin (minus 450 Grad Fahrenheit oder minus 268 Grad Celsius) emittiert IR-Strahlung. Die Sonne gibt die Hälfte ihrer Gesamtenergie als IR ab, und ein Großteil des sichtbaren Lichts des Sterns wird absorbiert und als IR wieder emittiert, so die University of Tennessee.
Anwendungen im Haushalt
Haushaltsgeräte wie Wärmelampen und Toaster verwenden IR-Strahlung zur Wärmeübertragung, ebenso wie industrielle Heizgeräte, wie sie zum Trocknen und Aushärten von Materialien verwendet werden. Glühlampen wandeln nur etwa 10 Prozent ihrer elektrischen Energie in sichtbare Lichtenergie um, während die anderen 90 Prozent in Infrarotstrahlung umgewandelt werden, so die Environmental Protection Agency.
Infrarotlaser können für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über Entfernungen von einigen hundert Metern oder Yards verwendet werden. TV-Fernbedienungen, die auf Infrarotstrahlung angewiesen sind, senden IR-Energieimpulse von einer Leuchtdiode (LED) an einen IR-Empfänger im Fernsehgerät aus, je nachdem, wie es funktioniert. Der Empfänger wandelt die Lichtimpulse in elektrische Signale um, die einen Mikroprozessor anweisen, den programmierten Befehl auszuführen.
Infrarot sensing
Eine der nützlichsten anwendungen der IR spektrum ist in sensing und erkennung. Alle Objekte auf der Erde emittieren IR-Strahlung in Form von Wärme. Dies kann durch elektronische Sensoren erkannt werden, wie sie in Nachtsichtbrillen und Infrarotkameras verwendet werden.Ein einfaches Beispiel für einen solchen Sensor ist das Bolometer, das laut der University of California, Berkeley (UCB), aus einem Teleskop mit einem temperaturempfindlichen Widerstand oder Thermistor an seinem Brennpunkt besteht. Wenn ein warmer Körper in das Sichtfeld dieses Instruments gelangt, verursacht die Wärme eine nachweisbare Änderung der Spannung am Thermistor.
Nachtsichtkameras verwenden eine ausgefeiltere Version eines Bolometers. Diese Kameras enthalten typischerweise CCD-Bildgebungschips (Charge-Coupled Device), die für IR-Licht empfindlich sind. Das von der CCD gebildete Bild kann dann im sichtbaren Licht wiedergegeben werden. Diese Systeme können klein genug gemacht werden, um in Handgeräten oder tragbaren Nachtsichtbrillen verwendet zu werden. Die Kameras können auch für Pistolenvisiere mit oder ohne Zusatz eines IR-Lasers zum Zielen verwendet werden.
Die Infrarotspektroskopie misst IR-Emissionen von Materialien bei bestimmten Wellenlängen. Das IR-Spektrum einer Substanz zeigt charakteristische Einbrüche und Peaks, wenn Photonen (Lichtteilchen) von Elektronen in Molekülen absorbiert oder emittiert werden, während die Elektronen zwischen Bahnen oder Energieniveaus wechseln. Diese spektroskopischen Informationen können dann zur Identifizierung von Substanzen und zur Überwachung chemischer Reaktionen verwendet werden.Laut Robert Mayanovic, Professor für Physik an der Missouri State University, ist die Infrarotspektroskopie wie die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) für zahlreiche wissenschaftliche Anwendungen sehr nützlich. Dazu gehören die Untersuchung molekularer Systeme und 2D-Materialien wie Graphen.
Infrarotastronomie
Caltech beschreibt Infrarotastronomie als „die Entdeckung und Untersuchung der Infrarotstrahlung (Wärmeenergie), die von Objekten im Universum emittiert wird.“ Fortschritte bei IR-CCD-Bildgebungssystemen haben eine detaillierte Beobachtung der Verteilung von IR-Quellen im Weltraum ermöglicht und komplexe Strukturen in Nebeln, Galaxien und der großräumigen Struktur des Universums aufgedeckt.
Einer der Vorteile der IR-Beobachtung besteht darin, dass Objekte erkannt werden können, die zu kühl sind, um sichtbares Licht auszustrahlen. Dies hat zur Entdeckung bisher unbekannter Objekte geführt, darunter Kometen, Asteroiden und interstellare Staubwolken, die in der gesamten Galaxie weit verbreitet zu sein scheinen.IR-Astronomie ist besonders nützlich, um kalte Gasmoleküle zu beobachten und die chemische Zusammensetzung von Staubpartikeln im interstellaren Medium zu bestimmen, sagte Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University. Diese Beobachtungen werden mit speziellen CCD-Detektoren durchgeführt, die für IR-Photonen empfindlich sind.Ein weiterer Vorteil von IR-Strahlung ist, dass sie aufgrund ihrer längeren Wellenlänge nicht so stark streut wie sichtbares Licht, so die NASA. Während sichtbares Licht von Gas- und Staubpartikeln absorbiert oder reflektiert werden kann, gehen die längeren IR-Wellen einfach um diese kleinen Hindernisse herum. Aufgrund dieser Eigenschaft kann IR verwendet werden, um Objekte zu beobachten, deren Licht durch Gas und Staub verdeckt wird. Zu solchen Objekten gehören neu entstehende Sterne, die in Nebel oder das Zentrum der Erdgalaxie eingebettet sind.