La radiazione infrarossa (IR), o luce infrarossa, è un tipo di energia radiante invisibile agli occhi umani ma che possiamo sentire come calore. Tutti gli oggetti nell’universo emettono un certo livello di radiazione IR, ma due delle fonti più ovvie sono il sole e il fuoco.
IR è un tipo di radiazione elettromagnetica, un continuum di frequenze prodotte quando gli atomi assorbono e quindi rilasciano energia. Dalla frequenza più alta alla più bassa, la radiazione elettromagnetica comprende raggi gamma, raggi X, radiazioni ultraviolette, luce visibile, radiazioni infrarosse, microonde e onde radio. Insieme, questi tipi di radiazioni costituiscono lo spettro elettromagnetico.
L’astronomo britannico William Herschel scoprì la luce infrarossa nel 1800, secondo la NASA. In un esperimento per misurare la differenza di temperatura tra i colori nello spettro visibile, ha posto termometri nel percorso della luce all’interno di ogni colore dello spettro visibile. Osservò un aumento della temperatura dal blu al rosso e trovò una misurazione della temperatura ancora più calda appena oltre l’estremità rossa dello spettro visibile.
All’interno dello spettro elettromagnetico, le onde infrarosse si verificano a frequenze superiori a quelle delle microonde e appena sotto quelle della luce visibile rossa, da cui il nome “infrarosso.”Le onde di radiazione infrarossa sono più lunghe di quelle della luce visibile, secondo il California Institute of Technology (Caltech). Le frequenze IR vanno da circa 300 gigahertz (GHz) fino a circa 400 terahertz (THz) e le lunghezze d’onda sono stimate tra 1.000 micrometri (µm) e 760 nanometri (2,9921 pollici), anche se questi valori non sono definitivi, secondo la NASA.
Simile allo spettro della luce visibile, che va dal viola (la più breve lunghezza d’onda della luce visibile) al rosso (lunghezza d’onda più lunga), la radiazione infrarossa ha una propria gamma di lunghezze d’onda. Le onde “vicino infrarosso” più corte, che sono più vicine alla luce visibile sullo spettro elettromagnetico, non emettono alcun calore rilevabile e sono ciò che viene scaricato da un telecomando TV per cambiare i canali. Le onde più lunghe “lontano infrarosso”, che sono più vicine alla sezione a microonde sullo spettro elettromagnetico, possono essere percepite come calore intenso, come il calore della luce solare o del fuoco, secondo la NASA.
La radiazione IR è uno dei tre modi in cui il calore viene trasferito da un luogo all’altro, gli altri due sono la convezione e la conduzione. Tutto con una temperatura superiore a circa 5 gradi Kelvin (meno 450 gradi Fahrenheit o meno 268 gradi Celsius) emette radiazioni IR. Il sole emette metà della sua energia totale come IR, e gran parte della luce visibile della stella viene assorbita e riemessa come IR, secondo l’Università del Tennessee.
Usi domestici
Gli elettrodomestici come lampade di calore e tostapane utilizzano la radiazione IR per trasmettere calore, così come i riscaldatori industriali come quelli utilizzati per l’essiccazione e la polimerizzazione dei materiali. Le lampadine a incandescenza convertono solo circa il 10% della loro energia elettrica in energia luminosa visibile, mentre l’altro 90% viene convertito in radiazione infrarossa, secondo l’Environmental Protection Agency.
I laser a infrarossi possono essere utilizzati per comunicazioni punto-punto su distanze di poche centinaia di metri o metri. I telecomandi TV che si basano sulla radiazione infrarossa sparano impulsi di energia IR da un diodo ad emissione luminosa (LED) a un ricevitore IR nel televisore, in base a Come funziona la roba. Il ricevitore converte gli impulsi luminosi in segnali elettrici che istruiscono un microprocessore ad eseguire il comando programmato.
Rilevamento a infrarossi
Una delle applicazioni più utili dello spettro IR è nel rilevamento e nel rilevamento. Tutti gli oggetti sulla Terra emettono radiazioni IR sotto forma di calore. Questo può essere rilevato da sensori elettronici, come quelli utilizzati in occhiali per la visione notturna e telecamere a infrarossi.
Un semplice esempio di tale sensore è il bolometro, che consiste in un telescopio con un resistore sensibile alla temperatura, o termistore, nel suo punto focale, secondo l’Università della California, Berkeley (UCB). Se un corpo caldo entra nel campo visivo di questo strumento, il calore provoca una variazione rilevabile della tensione attraverso il termistore.
Le telecamere per la visione notturna utilizzano una versione più sofisticata di un bolometro. Queste telecamere in genere contengono chip di imaging CCD (Charge-Coupled Device) sensibili alla luce IR. L’immagine formata dal CCD può quindi essere riprodotta in luce visibile. Questi sistemi possono essere resi abbastanza piccoli da essere utilizzati in dispositivi portatili o occhiali per la visione notturna indossabili. Le telecamere possono essere utilizzate anche per mirini pistola con o senza l’aggiunta di un laser IR per il targeting.
La spettroscopia infrarossa misura le emissioni IR dai materiali alle lunghezze d’onda specifiche. Lo spettro IR di una sostanza mostrerà cali caratteristici e picchi come fotoni (particelle di luce) vengono assorbiti o emessi da elettroni in molecole come gli elettroni transizione tra orbite, o livelli di energia. Queste informazioni spettroscopiche possono quindi essere utilizzate per identificare le sostanze e monitorare le reazioni chimiche.
Secondo Robert Mayanovic, professore di fisica alla Missouri State University, la spettroscopia a infrarossi, come la spettroscopia a trasformata di Fourier (FTIR), è molto utile per numerose applicazioni scientifiche. Questi includono lo studio di sistemi molecolari e materiali 2D, come il grafene.
Astronomia infrarossa
Caltech descrive l’astronomia infrarossa come “il rilevamento e lo studio della radiazione infrarossa (energia termica) emessa da oggetti nell’universo.”I progressi nei sistemi di imaging CCD IR hanno permesso un’osservazione dettagliata della distribuzione delle sorgenti IR nello spazio, rivelando strutture complesse in nebulose, galassie e la struttura su larga scala dell’universo.
Uno dei vantaggi dell’osservazione IR è che può rilevare oggetti troppo freddi per emettere luce visibile. Ciò ha portato alla scoperta di oggetti precedentemente sconosciuti, tra cui comete, asteroidi e nubi di polvere interstellare esile che sembrano essere prevalenti in tutta la galassia.
L’astronomia IR è particolarmente utile per osservare molecole fredde di gas e per determinare la composizione chimica delle particelle di polvere nel mezzo interstellare, ha affermato Robert Patterson, professore di astronomia alla Missouri State University. Queste osservazioni sono condotte utilizzando rivelatori CCD specializzati sensibili ai fotoni IR.
Un altro vantaggio della radiazione IR è che la sua lunghezza d’onda più lunga significa che non sparge tanto quanto la luce visibile, secondo la NASA. Mentre la luce visibile può essere assorbita o riflessa da particelle di gas e polvere, le onde IR più lunghe semplicemente aggirano queste piccole ostruzioni. A causa di questa proprietà, IR può essere utilizzato per osservare oggetti la cui luce è oscurata da gas e polvere. Tali oggetti includono stelle di nuova formazione incorporate in nebulose o al centro della galassia terrestre.