- Фізика інфрачервоного випромінювання
- Оптичні властивості інфрачервоного випромінювання. Видимого і невидимого
- Земна атмосфера і ІК-випромінювання
- Застосування інфрачервоного випромінювання
ІК, інфрачервоні промені, випромінювання, електромагнітне випромінювання, яке займає спектр між червоним кінцем видимого світла (довжина хвилі l = 0,74 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (довжина хвилі l = 1-2мкм). Область спектра інфрачервоного випромінювання можна умовно розділити на три групи:
- далеку (50 - 2000мкм)
- середню (2,5-50мкм)
- ближню (0,74-2,5мкм)
Відповідно до системи розподілу ІК-випромінювання, виходячи з нормативів.
Міжнародної комісії з освітлення, промені діляться на три групи:
- Ближні ІК: 700 нм, 1400 нм (0,7 мкм - 1,4 мкм, 215 ТГц - 430 ТГц)
- Середні ІК: IR-B 1400 нм, 3000 нм (1,4 мкм - 3 мкм, 100 ТГц - 215 ТГц)
- Дальні ІК: IR-C 3000 нм-1 мм (3 мкм - 1000 мкм, 300 ГГц - 100 ТГц)
Інфрачервоні промені були відкриті в далекому 1800 році відомим вченим з Англії - В.Гершелем. Дослідник виявив, що температура термометра в невидимій частині призми сонячного спектра підвищується.
Фізика інфрачервоного випромінювання
У дев'ятнадцятому столітті з'явилося відкриття про те, що інфрачервоні промені підкоряються законам оптики, а значить, мають одну і ту ж природу з видимим світлом. Радянський фізик А.А. Глаголєва-Аркадьева в 1923 році отримала радіохвилі, які відповідали інфрачервоному діапазону, тобто - l ~ 80 мкм. Це стало доказом безперервного переходу від видимого випромінювання до ІК-випромінювання і радіохвилях: всі ці явища мають електромагнітне походження.
Залежно від природи джерела спектр інфрачервоного випромінювання може бути безперервним або складатися з окремих смуг. Збуджені іони і атоми випускають інфрачервоні спектри лінійного виду. Наприклад, пари ртуті при електророзряд випускають ряд узколінейнимі хвиль 1,014-2,326 мкм, а атоми водню - лінії 0,95-7,40 мкм. Смугасті ІК-спектри з'являються в результаті коливань і обертань порушених молекул. У середній зоні ІЧ-випромінювання розташовані колебательно-обертальні спектри, а в далекій - переважно обертальні.
Спектр випромінювання полум'я газу утворює смугу 2,7 мкм за рахунок молекул води і 4,2 мкм за рахунок молекул вуглекислого газу. Тверді і рідкі нагріті тіла випромінюють безперервний ІК-спектр. Широке тіло має досить широкий спектр випромінювання інфрачервоних хвиль. Низький температурний режим менш 800К випромінювання твердого нагрітого тіла розташоване в ІК-області, тому тіло здається темним. Чим більше підвищується температура випромінювання, тим більше стає теплова енергія: тіло стає темно-червоного кольору, потім жовтого, нарешті, білого.
Оптичні властивості інфрачервоного випромінювання. Видимого і невидимого
Що стосується оптичних властивостей речовин - коефіцієнтів відбиття, заломлення, прозорості - в ІК-області спектра, то вони мають відмінності від оптичних особливостей ультрафіолетовій і видимій областей. Речовина, яке у видимій області здається прозорим, стає непрозорим в інфрачервоному випромінюванні або навпаки.
Наприклад, шар води завтовшки 1-2 см непрозорий в деяких областях інфрачервоного спектра l> 1 мкм, тому воду використовують в якості теплозахисного фільтра. Пластинки кремнію і германію в видимій області непрозорі, а в ІК-діапазоні стають прозорими l> 1,8 мкм для германію,> 1,0 мкм для кремнію. У далекій ІЧ-області чорна папір прозорий. Прозорі для інфрачервоного спектра променів речовини, які одночасно непрозорі у видимій області - прекрасні світлофільтри для виділення інфрачервоного випромінювання. Використовуючи оптичні властивості речовин, виготовляють деталі для інфрачервоних пристроїв - призми, вікна, лінзи.
Скло є прозорим до 2,7 мкм, кварц - для інфрачервоного випромінювання до 4,0 мкм, а йодистий цезій - до 55 мкм. Такі матеріали як парафін, тефлон, алмаз, поліетилен є прозорими для довжини ІК-хвиль l> 100 мкм. Відбивна здатність металів для ІК-спектра більше, ніж для видимого світла. Зі збільшенням довжини хвиль металооптика зростає. Припустимо, коефіцієнт відображення Al, Au, Ag, Cu при l = 10 мкм досягає 98%.
Земна атмосфера і ІК-випромінювання
Проходячи через земну атмосферу, інтенсивність інфрачервоного випромінювання слабшає. В результаті розсіювання і поглинання сила хвиль зменшується. Вуглекислий газ, озон і інші атмосферні домішки селективно поглинають ІЧ-хвилі. Найбільш інтенсивне поглинання на інфрачервоне випромінювання надають пари води. У приземних атмосферних шарах є «вікна», прозорі для інфрачервоних променів.
Оскільки в атмосфері міститься велика кількість зважених часток - водних крапель, пилу, диму, то ІК-випромінювання слабшає додатково. Величина розсіювання залежить від співвідношення довжини хвиль і розмірів частинок. Наприклад, малі розміри частинок, як при повітряному серпанку, розсіюють ІК-промені незначно, а ось великі розміри крапель, як при густому тумані, розсіюють інфрачервоне випромінювання майже так само сильно, як і видиме світло.
Найбільш потужним джерелом інфрачервоних променів є сонце. Половина променів світила перебувають в ІК-області. Понад 70% енергії випромінювання ламп розжарювання з ниткою з вольфраму доводиться на ІЧ-випромінювання.
Щоб зробити фото в темряві в приладах нічного спостереження, лампи для підсвічування забезпечують ІК-світлофільтром, проникним тільки інфрачервоні промені. Ще одне джерело ІЧ-променів -угольная електродуги з температурою 3900 К. Випромінювання дуги наближається до випромінювання абсолютно чорного тіла. До джерел ІЧ-випромінювання можна віднести газорозрядні лампи безперервного горіння і імпульсні. Радіаційний обігрів приміщень заснований на спіралях з ніхромового дроту з температурою нагріву 950К. Рефлектори дозволяють досягти кращій концентрації ІК-випромінювання.
Отримання спектрів ІЧ-поглинання здійснюється за допомогою стрічкових вольфрамових ламп, штифта Нернста, глобар, ртутних ламп високого тиску і інших джерел. Оптичні квантові генератори також випромінюють хвилі в інфрачервоному спектрі. Наприклад, лазер на неодимовому склі має довжину хвилі, 06 мкм, а на вуглекислому газі - 10,6 мкм.
Приймачі ІЧ-променів є перетворювачами інфрачервоної енергії в інші види енергії. Існують фотоелектричні і теплові приймачі інфрачервоного випромінювання. Фотоелектричні приймачі перетворять ІК-промені в напругу або електричний струм. Це селективні приймачі, які мають чутливість тільки до певної області ІЧ-спектра. Теплові приймачі перетворюють ІЧ-випромінювання в тепло. Підвищення температури фіксується термочутливим елементом.
Застосування інфрачервоного випромінювання
Наукові дослідження, вирішення практичних завдань, військова справа - ці та інші галузі людської діяльності зуміли застосувати ІЧ-випромінювання. Завдяки дослідженню спектрів ІЧ-випромінювання, вдалося вивчити структуру атомів, молекул, здійснити якісний аналіз сумішей речовин, що мають складний молекулярний склад. Наприклад, за допомогою ІЧ-спектроскопії можна вивчити склад моторного палива.
Фотографія, отримана в ІК-діапазоні, має переваги в порівнянні зі звичайним знімком через коефіцієнтів відбиття, розсіювання і пропускання. Інфрачервоні знімки дозволяють побачити деталізацію, недоступну на звичайних фото.
Промислові галузі використовую ІК-випромінювання для нагрівання металів і сушки при опроміненні. До речі, ІК-спектр дозволяє виявляти приховані дефект виробів, що часто використовують при діагностуванні авто.
Фотокади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, стали основою електронно-оптичних перетворювачів. Пристрої можуть невидиме оку ІК-зображення об'єкта за допомогою фотокада перетворити на видиме. Цей принцип лежить в основі таких приладів як біноклі, приціли, об'єкти нічного бачення. На базі високочутливих приймачів інфрачервоного випромінювання побудовані теплопеленгатори виявлення об'єктів з температурою, що перевищує навколишній фон: двигун літака, труби танків, кораблів. Локатори і далекоміри, що працюють на основі інфрачервоного випромінювання, виявляють в темряві об'єкт і відстань до нього. Квантові генератори з ІК-випромінюванням використовують в галузях космічної та наземної зв'язку.
