promieniowanie podczerwone (IR), lub światło Podczerwone, jest rodzajem energii promiennej, która jest niewidoczna dla ludzkich oczu, ale którą możemy odczuwać jako ciepło. Wszystkie obiekty we wszechświecie emitują pewien poziom promieniowania IR, ale dwa z najbardziej oczywistych źródeł to słońce i ogień.
IR jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, kontinuum częstotliwości wytwarzanego, gdy atomy absorbują, a następnie uwalniają energię. Od najwyższej do najniższej częstotliwości promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje promienie gamma, rentgenowskie, promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne, promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Razem te rodzaje promieniowania tworzą widmo elektromagnetyczne.
Brytyjski astronom William Herschel odkrył światło podczerwone w 1800 roku, według NASA. W eksperymencie zmierzającym do zmierzenia różnicy temperatur między kolorami w widmie widzialnym, umieścił termometry na ścieżce światła w obrębie każdego koloru widma widzialnego. Zaobserwował wzrost temperatury z niebieskiego na czerwony i znalazł jeszcze cieplejszy pomiar temperatury tuż za czerwonym końcem widma widzialnego.
w widmie elektromagnetycznym fale podczerwone występują w częstotliwościach powyżej częstotliwości mikrofal i tuż poniżej częstotliwości czerwonego światła widzialnego, stąd nazwa „podczerwień.”Fale promieniowania podczerwonego są dłuższe niż fale światła widzialnego, zgodnie z California Institute of Technology (Caltech). Częstotliwości IR wahają się od około 300 gigaherców (GHz) do około 400 teraherców (THz), A długości fal szacuje się na zakres od 1000 mikrometrów (µm) do 760 nanometrów (2.9921 cali), chociaż wartości te nie są ostateczne, według NASA.
podobnie jak Widmo światła widzialnego, które waha się od fioletowego (Najkrótsza długość fali światła widzialnego) do czerwonego (najdłuższa długość fali), promieniowanie podczerwone ma swój własny zakres długości fal. Krótsze fale „bliskiej podczerwieni”, które są bliżej światła widzialnego na spektrum elektromagnetycznym, nie emitują żadnego wykrywalnego ciepła i są tym, co jest odprowadzane z pilota telewizyjnego do zmiany kanałów. Dłuższe fale „dalekiej podczerwieni”, które są bliżej sekcji mikrofalowej na widmie elektromagnetycznym, mogą być odczuwane jako intensywne ciepło, takie jak ciepło ze światła słonecznego lub ognia, według NASA.
promieniowanie IR jest jednym z trzech sposobów przekazywania ciepła z jednego miejsca do drugiego, pozostałe dwa to konwekcja i przewodzenie. Wszystko o temperaturze powyżej około 5 stopni Kelvina (minus 450 Stopni Fahrenheita lub minus 268 stopni Celsjusza) emituje promieniowanie IR. Według University of Tennessee słońce emituje połowę swojej całkowitej energii jako IR, a duża część światła widzialnego gwiazdy jest pochłaniana i ponownie emitowana jako IR.
zastosowania domowe
urządzenia gospodarstwa domowego, takie jak lampy grzewcze i tostery, wykorzystują promieniowanie IR do przesyłania ciepła, podobnie jak nagrzewnice przemysłowe, takie jak te używane do suszenia i utwardzania materiałów. Według Agencji Ochrony Środowiska żarówki zamieniają tylko około 10 procent swojej energii elektrycznej w energię światła widzialnego, podczas gdy pozostałe 90 procent jest przekształcane w promieniowanie podczerwone.
lasery na podczerwień mogą być używane do komunikacji punkt-punkt na odległościach kilkuset metrów lub jardów. Piloty telewizyjne, które opierają się na promieniowaniu podczerwonym, wysyłają impulsy energii IR z diody elektroluminescencyjnej (LED) do odbiornika podczerwieni w telewizorze, w zależności od tego, jak działają rzeczy. Odbiornik zamienia impulsy świetlne na sygnały elektryczne, które instruują mikroprocesor do wykonania zaprogramowanego polecenia.
wykrywanie podczerwieni
jednym z najbardziej użytecznych zastosowań widma IR jest wykrywanie i wykrywanie. Wszystkie obiekty na Ziemi emitują promieniowanie IR w postaci ciepła. Można to wykryć za pomocą czujników elektronicznych, takich jak te stosowane w noktowizorach i kamerach na podczerwień.
prostym przykładem takiego czujnika jest bolometr, który składa się z teleskopu z rezystorem czułym na temperaturę lub termistorem, w jego punkcie centralnym, zgodnie z University of California, Berkeley (UCB). Jeśli ciepłe ciało wejdzie w pole widzenia tego instrumentu, ciepło powoduje wykrywalną zmianę napięcia w całym termistorze.
kamery noktowizyjne wykorzystują bardziej wyrafinowaną wersję bolometru. Kamery te zazwyczaj zawierają chipy obrazujące urządzenie sprzężone z ładunkiem (CCD), które są wrażliwe na światło podczerwone. Obraz utworzony przez CCD może być następnie odtworzony w świetle widzialnym. Systemy te mogą być wystarczająco małe, aby można je było stosować w urządzeniach ręcznych lub noktowizorach do noszenia. Kamery Mogą być również używane do celowników pistoletowych z lub bez dodania lasera IR do celowania.
spektroskopia w podczerwieni mierzy emisję IR z materiałów o określonych długościach fal. Widmo IR substancji wykazuje charakterystyczne spadki i piki, gdy fotony (cząstki światła) są absorbowane lub emitowane przez elektrony w cząsteczkach, gdy elektrony przechodzą między orbitalami lub poziomami energii. Ta informacja spektroskopowa może być następnie wykorzystana 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 badania 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 IR CCD pozwoliły na szczegółową obserwację rozkładu źródeł IR w przestrzeni kosmicznej, ujawniając złożone struktury w mgławicach, galaktykach i wielkoskalową strukturę wszechświata.
jedną z zalet obserwacji IR jest to, że może wykrywać obiekty, które są zbyt chłodne, aby emitować światło widzialne. Doprowadziło to do odkrycia wcześniej nieznanych obiektów, w tym komet, planetoid i wispy międzygwiezdne obłoki pyłu, które wydają się być powszechne w całej galaktyce.
Astronomia IR jest szczególnie przydatna do obserwacji zimnych cząsteczek gazu oraz do określania składu chemicznego cząstek pyłu w ośrodku międzygwiezdnym, powiedział Robert Patterson, profesor astronomii na Missouri State University. Obserwacje te prowadzone są przy użyciu wyspecjalizowanych detektorów CCD, które są wrażliwe na fotony IR.
Kolejną zaletą promieniowania IR jest to, że jego dłuższa długość fali oznacza, że nie rozprasza się tak bardzo, jak światło widzialne, według NASA. Podczas gdy światło widzialne może być pochłaniane lub odbijane przez cząstki gazu i pyłu, dłuższe fale IR po prostu okrążają te małe przeszkody. Ze względu na tę właściwość, IR może być używany do obserwacji obiektów, których światło jest zasłonięte przez gaz i pył. Do takich obiektów należą nowo formujące się gwiazdy osadzone w mgławicach lub w centrum ziemskiej galaktyki.