Infračervené záření a jeho aplikace

Elektromagnetické záření o vlnové délce 0,74 mikronů až 2 mm se ve fyzice nazývá infračervené záření nebo infračervené paprsky, zkráceně „IR“. Zaujímá tu část elektromagnetického spektra, která leží mezi viditelným optickým zářením (vycházejícím z červené oblasti) a krátkovlnným radiofrekvenčním rozsahem.

Infračervené záření sice lidské oko prakticky nevnímá jako světlo a nemá žádnou specifickou barvu, přesto patří do optického záření a v moderní technice se hojně využívá.

Infračervené vlny, které jsou charakteristické, ohřívají povrchy těles, proto se infračervenému záření také často říká tepelné záření. Celá infračervená oblast je podmíněně rozdělena do tří částí:

• vzdálená infračervená oblast — s vlnovými délkami od 50 do 2000 mikronů;

• střední IR oblast — s vlnovými délkami od 2,5 do 50 mikronů;

• blízká infračervená oblast — od 0,74 do 2,5 mikronů.

Infračervené záření bylo objeveno v roce 1800.anglickým astronomem Williamem Herschelem a později, v roce 1802, nezávisle anglickým vědcem Williamem Wollastonem.

IR spektra

Atomová spektra získaná ve formě infračervených paprsků jsou lineární; spektra kondenzované hmoty — kontinuální; molekulární spektra jsou pásová. Závěrem je, že pro infračervené paprsky jsou ve srovnání s viditelnou a ultrafialovou oblastí elektromagnetického spektra optické vlastnosti látek, jako je koeficient odrazu, propustnosti, lomu, velmi odlišné.

Mnohé z látek, přestože propouštějí viditelné světlo, jsou v části infračerveného rozsahu pro vlny neprůhledné.

Například vrstva vody o tloušťce několika centimetrů je neprůhledná pro infračervené vlny delší než 1 mikron a za určitých podmínek ji lze použít jako tepelný ochranný filtr. A vrstvy germania nebo křemíku nepropouštějí viditelné světlo, ale dobře propouštějí infračervené paprsky o určité vlnové délce. Dálkové infračervené paprsky jsou snadno přenášeny černým papírem a mohou sloužit jako filtr pro jejich izolaci.

Většina kovů, jako je hliník, zlato, stříbro a měď, odráží infračervené záření s delší vlnovou délkou, například při infračervené vlnové délce 10 mikronů dosahuje odraz od kovů 98 %. Pevné látky a kapaliny nekovové povahy odrážejí pouze část IR rozsahu v závislosti na chemickém složení konkrétní látky. Vzhledem k těmto vlastnostem interakce infračervených paprsků s různými médii jsou úspěšně používány v mnoha studiích.

Infračervený rozptyl

Infračervené vlny vyzařované Sluncem procházejícím zemskou atmosférou jsou částečně rozptýleny a utlumeny molekulami vzduchu a atomy. Kyslík a dusík v atmosféře částečně oslabují infračervené paprsky, rozptylují je, ale zcela je neabsorbují, protože pohlcují část paprsků viditelného spektra.

Voda, oxid uhličitý a ozón obsažené v atmosféře částečně pohlcují infračervené paprsky a voda je pohlcuje nejvíce, protože její infračervená absorpční spektra spadají do celé oblasti infračerveného spektra a absorpční spektra oxidu uhličitého spadají pouze do střední oblasti .

Vrstvy atmosféry v blízkosti zemského povrchu propouštějí velmi málo infračerveného záření, protože kouř, prach a voda jej dále zeslabují a rozptylují energii na své částice.Čím menší částice (kouř, prach, voda atd.) menší rozptyl IR a viditelnější rozptyl vlnových délek. Tento efekt se používá v infračervené fotografii.

Zdroje infračerveného záření

Pro nás žijící na Zemi je Slunce velmi silným přírodním zdrojem infračerveného záření, protože polovina jeho elektromagnetického spektra je v infračervené oblasti. Žárovky, infračervené spektrum tvoří až 80% energie záření.

Mezi umělé zdroje infračerveného záření patří také: elektrický oblouk, plynové výbojky a samozřejmě domácí ohřívače topných těles.Ve vědě se k získání infračervených vln používá Nernstův kolík, wolframová vlákna, stejně jako vysokotlaké rtuťové výbojky a dokonce i speciální IR lasery (neodymové sklo poskytuje vlnovou délku 1,06 mikronu a helium-neonový laser - 1,15 a 3,39 mikronů, oxid uhličitý – 10,6 mikronů).

IR přijímače

Princip činnosti infračervených vlnových přijímačů je založen na přeměně energie dopadajícího záření na jiné formy energie dostupné pro měření a využití. Infračervené záření absorbované v přijímači ohřívá termosenzitivní prvek a je zaznamenán nárůst teploty.

Fotoelektrické infračervené přijímače generují elektrické napětí a proud v odezvě na specifickou úzkou část infračerveného spektra, pro kterou jsou určeny, to znamená, že infračervené fotoelektrické přijímače jsou selektivní. Pro IR vlny v rozsahu do 1,2 μm se provádí fotografická registrace pomocí speciálních fotografických emulzí.

Infračervené záření je široce používáno ve vědě a technice, zejména pro řešení praktických výzkumných problémů. Jsou studována absorpční a emisní spektra molekul a pevných látek, které právě spadají do infračervené oblasti.

Tento přístup k výzkumu se nazývá infračervená spektroskopie, která umožňuje řešit strukturální problémy prováděním kvantitativní a kvalitativní spektrální analýzy. Dálná infračervená oblast obsahuje emise způsobené přechody mezi atomovými podrovinami. Díky IR spektrům můžete studovat struktury elektronových obalů atomů.

A to nemluvím o fotografování, kdy stejný objekt vyfotografovaný nejprve ve viditelné a poté v infračervené oblasti bude vypadat jinak, protože díky rozdílu v propustnosti, rozptylu a odrazu pro různé oblasti elektromagnetického spektra některé prvky a detaily v neobvyklém režimu fotografování může zcela chybět: na běžné fotografii bude něco chybět a na infračervené fotografii se to stane viditelným.

Průmyslové a spotřebitelské využití infračerveného záření nelze podceňovat. Používá se k sušení a ohřevu různých výrobků a materiálů v průmyslu. V domech jsou prostory vytápěny.

Elektrooptické převodníky používají fotokatody, které jsou citlivé v infračervené oblasti elektromagnetického spektra, což umožňuje vidět to, co je pouhým okem neviditelné.

Přístroje pro noční vidění umožňují vidět ve tmě díky ozáření předmětů infračervenými paprsky, infračervené dalekohledy - pro noční pozorování, infračervené zaměřovače - pro zaměřování v úplné tmě atd. Mimochodem, pomocí infračerveného záření si dokáže reprodukovat přesný standard metru.

Vysoce citlivé přijímače IR vln umožňují určovat směr různých objektů jejich tepelným vyzařováním, fungují například systémy navádění raket, které navíc generují vlastní IR záření.

Dálkoměry a lokátory na bázi infračervených paprsků umožňují pozorovat některé objekty ve tmě a měřit k nim vzdálenost s vysokou přesností. IR lasery se používají ve vědeckém výzkumu, pro sondování atmosféry, pro vesmírnou komunikaci a další.