Инфрацрвено зрачење

Инфрацрвено зрачење или инфрацрвена светлина (лат. ''infra'', „под“) — електромагнетното зрачење со бранови должини поголеми од брановата должина на видливата црвена светлина, а помали од брановата должина на радиобрановите. Тоа е опсегот од приближно 750 nm do 3 mm, односно од 4,5*10<sup>14</sup> до 10<sup>12</sup> Hz. Опсегот на енергијата што тие ја пренесуваат се движи од 4,7 до 0,01 eV. Името доаѓа од латинскиот збор ''infra'', што значи ''под'' – ги опфаќа брановите должини под црвената светлина.
Овие бранови ги испуштаат загреаните тела и некои молекули кога ќе се најдат во побудена состојба. Добро ги апсорбираат повеќето материјали при што енергијата на инфрацрвеното зрачење се претвора во внатрешна енергија, што резултира со покачување на температурата. Сончевата светлина овозможува просечна сила на зрачење од 1004 W по квадратен метар; од тоа на инфрацрвеното зрачење отпаѓаат 527 W, 445 W на видливата светлина и 32 W на ултравиолетовото зрачење.
1 Преглед
Инфрацрвената термографија или термалното снимање многу се користи за воени и цивилни потреби. Воената примена најчесто е за откривање цели во мрак, следење и откривање на непријателот, како и за следење на целите при гаѓање со проектили. Цивилната примена го вклучува проучувањето на степенот на топлинско искористување на објектите, далечинско мерење на температурата, блиски безжични комуникации, спектроскопија и временска прогноза.
Инфрацрвената астрономија користи телескопи со инфрацрвени уреди за откривање на подрачјата што се покриени со прашина, како што се молекуларните облаци, за откривање на планети и за набљудување на објекти со големо црвено поместување кои потекнуваат од периодот на настанувањето на вселената.
Човековото тело нормално зрачи со бранова должина од околу 12 μm, како што може да се пресмета од Виеновиот закон за поместување.
2 Различни подрачја на инфрацрвеното зрачење
Инфрацрвеното зрачење опфаќа широк опсег на електромагнетното зрачење, а бидејќи нашите сетила покриваат самоодредено подрачје на инфрацрвениот спектар, постојат различни поделби што подетално ги определуваат тие подрачја.
2.1 Поделба според CIE
Меѓународната комисија за осветлување (CIE – франц. ''Commission internationale de l'éclairage'') го дели инфрацрвеното зрачење на три подрачја:* IC – A: 700 nm–1400 nm (0,7 µm – 1,4 µm)
* IC – B: 1400 nm–3000 nm (1,4 µm – 3 µm)
* IC – C: 3000 nm–1 mm (3 µm – 1000 µm)
Сепак, најчесто инфрацрвеното зрачење се дели на 5 подрачја:*''Блиско инфрацрвено подрачје'': (0,7 µm – 1,4 µm), подрачје што е одредено од апсорпцијата на водената пареа. Обично се користи кај оптичките влакна во телекомуникацијата, поради малите загуби од придушувањето на силициумовиот диоксид (SiO<sub>2</sub>). За активно откривање на цели во мракот ова подрачје е многу чувствително и се користи кај очилата за ноќно набљудување.
*''Краткобраново инфрацрвено подрачје'': (1,4 µm – 3 µm), подрачје каде што апсорпцијата на водената пареа значително се зголемува, на бранова должина од 1450 nm. Подрачјето од 1530 до 1560 nm е многу важно подачје за телекомуникациите на голема оддалеченост.
*''Среднобраново инфрацрвено подрачје'': (3 µm – 8 µm), подрачје што е значајно затоа што има “атмосферски прозорец“ или подрачје во кое ниту еден стакленички гас не го впива сончевото топлинско зрачење.
*''Долгобраново инфрацрвено подрачје'': (8 µm – 15 µm), подрачје на “термално снимање“ каде можат да се добијат најдобри инфрацрвени слики, кога нема светлина од Сонцето или Месечината.
*''Далечно инфрацрвено подрачје'': (15 µm – 1000 µm), подрачје што е значајно за далечниот инфрацрвен ласер.
2.2 Поделба според ISO 20473
Меѓународната организација за стандардизација во својот ISO 20473 инфрацрвеното зрачење го дели на 3 подрачја:
ознака, кратенка, бранова должина
блиско инфрацрвено подрачје, NIR, 0,78 - 3 µm
средно инфрацрвено подрачје, MIR, 3 - 50 µm
далечно инфрацрвено подрачје, FIR, 50 - 1000 µm
2.3 Астрономска поделба на инфрацрвеното зрачење
Астрономите го делат инфрацрвеното зрачење на 3 подрачја:
ознака, кратенка, бранова должина
блиско инфрацрвено подрачје, NIR, (0,7-1) до 5 µm
средно инфрацрвено подрачје, MIR, 5 до (25-40) µm
далечно инфрацрвено подрачје, FIR, (25-40) до (200-350) µm.
2.4 Поделба според електронски уреди
Инфрацрвеното зрачење може да се подели според различни електронски уреди што имаа чувствителност во тие подрачја:*''Блиско инфрацрвено подрачје'': (0,7 µm – 1,0 µm), подрачје од крајот на чувството на човековото око до одзивот на силициумот.
*''Краткобраново инфрацрвено подрачје'': (1,0 µm – 3 µm), подрачје од одзивот на силициумот до подрачјето на “атмосферски прозорец“. Тоа подрачје го покрива полуспроводникот InGaAs на бранова должина од околу 1,8 µm, а помалку се чувствителни солите на оловото.
*''Среднобраново инфрацрвено подрачје'': (3 µm – 5 µm), подрачје на “атмосферски прозорец“ што го покриваат полуспроводниците InSb, HgCdTe и делумно PbSe.
*''Долгобраново инфрацрвено подрачје'': (8 µm – 12 µm ili 7 µm – 14 µm), го покриваат полуспроводниците HgCdTe и микроболометрите.
*''Големо долгобраново инфрацрвено подрачје'': (12 µm – 30 µm), го покрива силициумот со примеси.
2.5 Поделба според телекомуникациските подрачја
Во комуникациите со оптички влакна инфрацрвеното зрачење се дели на 7 појаси:
појас, опис, опсег на брановите должини
O појас, изворен, 1260–1360 nm
E појас, проширен, 1360–1460 nm
S појас, краткобранов, 1460–1530 nm
C појас, основен, 1530–1565 nm
L појас, долгобранов, 1565–1625 nm
U појас, голем долгобранов, 1625–1675 nm
C – појасот преовладува кај телекомуникациските мрежи на голема оддалеченост.
3 Топлинско зрачење
Инфрацрвеното зрачење често се нарекува “топлинско зрачење“ затоа што многумина веруваат дека топлината доаѓа од инфрацрвеното зрачење. Но, тоа е заблуда затоа што и останатото електромагнетно зрачење, дури и видливата светлина, ги загрева површините што го впиваат. Инфрацрвеното зрачење од Сонцето придонесува за загревање на Земјата за околу 49%, додека останатото е од видливиот дел на спектарот и помал дел, околу 3%, од ултравиолетовиот дел на спектарот. Објектите што имаат собна температура зрачат во инфрацрвеното подрачје главно со бранова должина од 8 do 25 µm.
Топлината е енергија што ќе оствари пренос на топлината ако постои разлика во температурите. Таа може да се пренесе со кондукција на топлината или спроводливост, со струење или пренесување на топлината, и со електромагнетно зрачење, а тоа е единствениот начин топлината да може да се пренесе во вакуум.
Најголем дел од човековото електромагнетно зрачење е во подрачјето на инфрацрвеното зрачење. Некои материјали се проѕирни за инфрацрвеното зрачење, но се непроѕирни за видливата светлина, како што е пластичната црна вреќа. Некои материјали се проѕирни за видливата светлина, но се непроѕирни и го одбиваат инфрацрвеното зрачење, како што е стаклото на очилата.
Поимот емисивност е многу важен за разбирањето на инфрацрвеното зрачење на некој објект. Тоа својство на материјата го споредува топлинското зрачење на некој објект со топлинското зрачење на идеалното црно тело. Со други зборови, два објекта што имаат иста температура нема да се појават со ист интензитет на топлинската слика; оној што има поголема емисивност, ќе биде поинтензивен.
4 Примена
4.1 Ноќно набљудување
Уредите за ноќно набљудување служат за нормално гледање во услови кога нема доволно светлина. Тие работат на принцип на претворање на светлосните фотони во електрони, што се засилуваат со хемиски или електрични постапки, и потоа повторно се претвораат во видливи фотони. Ноќното набљудување не треба да се меша со инфрацрвената термографија, која создава слики врз основа на разликите во температурата на различните објекти.
4.2 Инфрацрвена термографија
Инфрацрвената термографија, термалното снимање, термографското снимање или термалното видео е дел од науката за инфрацрвено снимање. Термографските камери го регистрираат зрачењето во инфрацрвениот појас на електромагнетниот спектар (околу 0,9-14 μm) и создаваат снимки од тоа зрачење што се нарекуваат “термограми“.
Бидејќи инфрацрвеното зрачење го емитираат сите тела во зависност од нивната температура, според законот за црнотелесно зрачење, термографијата овозможуа “гледање“ на околината без видливо осветлување. Гледани со термографски апарат, топлите предмети се истакнуваат подобро во однос на постудената позадина; луѓето и другите топлокрвни организми стануваат лесно видливи во однос на околината, и дење и ноќе. Затоа, не треба да зачудува што широката примена на термографијата историски се поврзува во војската и службите за обезбедување.
4.3 Останати видови сликање
Инфрацрвената фотографија, инфрацрвените филтри служат за да се изработат фотографии во инфрацрвеното подрачје. Дигиталните фотоапарати често користат т.н. инфрацрвени блокери, додека поевтините дигитални апарати и камерите на мобилните телефони, сјајните виолетово-бели дамки ги “гледаат“ во блиското инфрацрвено подрачје. Поновата технологија, што сè уште е во развој, претставува сликање во подрачјето на брановата должина од терахерц.
4.4 Наведување проектили
Наведувањето на проектилите го користи електромагнетното зрачење во инфрацрвеното подрачје за следење на целите и нивно уништување. Во 25 години војување, 90% од воените загуби на САД во опрема било поради проектилите со инфрацрвено зрачење.
4.5 Греење
Инфрацрвеното зрачење може да се користи и за греење. На пример, често се користи во сауни, каде што се поставуваат инфрацрвени греалки. Тоа се користи и при одмрзнување на крилата на авионите, кога треба да се отстрани мразот пред полетување. Во последно време се користи и при терапиите со загреваење. Инфрацрвеното зрачење се користи и за готевење и подготување храна.
Инфрацрвеното зрачење има и индустриска примена, како за сушење на бои при бојадисување, обликување, жарење, и заварување на пластиката. Најдобри резултати се постигнуваат кога греачите имаат иста бранова должина со апсорпционите линии на материјалите што се загреваат.
4.6 Комуникации
Инфрацрвениот пренос на податоци се користи на мали растојанија, помеѓу компјутерот и помошните дигитални уреди. Далечинското управување користи инфрацрвени светлечки диоди, за да емитуваат инфрацрвено зрачење, кое е собрано во жариште со пластични леќи, за да се добие тесен зрак. Зракот се модулира, се гаси и пали, за да се кодираат податоците. Приемникот користи силициумова фотодиода за да го претвори инфрацрвеното зрачење во електрична струја. Инфрацрвеното зрачење не поминува низ ѕидовите, и не им пречи на уредите во другите простории.
Понекогаш наместо вкопување на оптичките влакна за пренос на податоци, се користат инфрацрвени ласери, особено во густо населени места. Инфрацрвените ласери можат да се користат и за пренос на податоци низ оптички влакна, посебно на бранови должини од 1 330 nm или 1 550 nm, затоа што тоа е најдобриот избор за оптичките влакна од силициум диоксид.
4.7 Спектроскопија
Спектроскопијата на инфрацрвеното зрачење (IR спектроскопија) го користи инфрацрвеното зрачење како медиум за проучување што го емитираат молекулите благодарение на своите вибрации. Со апсорбирање на инфрацрвеното зрачење се побудуваат вибрациите на молекулите, па тие почнуваат да вибрираат посилно. Затоа инфрацрвената спектроскопија, заедно со рамановата спектроскопија се нарекува ''вибрирачка спектроскопија''. Слободните атоми не емитираат инфрацрвено зрачење. Секоја молекула има карактеристични вибрации што зависат од цврстината на врските и масите на деловите од молекулата што вибрираат.
Таквиот факт на инфрацрвената спектроскопија ѝ дава големи аналитички можности затоа што е можно да се определи од кои функционални групи се состои некоја молекула. Бидејќи секоја молекула има различен инфрацрвен спектар, инфрацрвената спектроскопија се користи при идентификацијата на материите. Бидејќи топлинската енергија на молекулите е поголема од енергијата на вибрациите, објектите го емитираат инфрацрвеното зрачење благодарение на својата топлинска енергија. Брановата должина на емитираното зрачење зависи од температурата според законот за црно тело.
4.8 Метеорологија
Метеоролошките сателити, опремени со радиометри, создаваат топлински и инфрацрвени слики, на кои вешт метеоролог може да го одреди видот и височината на облаците, температурата на водените површини и земјата, и да ги одреди промените во океаните. Радиометрите главно работат во подрачјето од 10,3 до 12,5 µm.
4.9 Климатологија
На полето на климатологијата инфрацрвеното зрачење се набљудува за да се открие промена во енергијата помеѓу Земјата и атмосферата. Тоа се користи и за проценка на глобалното затоплување и на Сончевото топлинско зрачење.
“Пиргометарот“ е инструмент што работи во подрачјето од 4,5 до 100 μm и со него се набљудуваат зрачењата на облаците, CO<sub>2</sub> и другите стакленички гасови. Тој содржи термоелектричен детектор заштитен со филтер, што е проѕирен за големи бранови должини, а не го пропушта видливиот дел од спектарот (“силициумски прозорец“).
4.10 Астрономија
Астрономите ги набљудуваат вселенските објекти во инфрацрвеното подрачје на електромагнетниот спектар со сите делови за оптичките телескопи, вклучувајќи ги огледалата, леќите и детекторите. За да се добијат слики во инфрацрвениот спектар, потребно е деловите да бидат внимателно заштитени, а детекторите обично се ладат со течен хелиум.
Чувствителноста на инфрацрвените телескопи на Земјата е значително ограничена поради водената пареа воатмосферата, која впива дел од инфрацрвениот спектар што доаѓа од вселената, освен во подрачјата на “атмосферските прозорци“. Затоа е подобро инфрацрвените телескопи да се сместат на големи надморски височини, да се постават во балони на топол воздух или во авиони.
Инфрацрвените телескопи се корисни за астрономите затоа што студените и темните молекуларни облаци на гасовите и прашината го замаглуваат погледот кон многу ѕвезди. Инфрацрвените телескопи се користат и за набљудување на протоѕвездите, пред да почнат да емитираат видлива светлина. Бидејќи ѕвездите многу малку емитираат во инфрацрвеното подрачје, можно е да се открие рефлектираната светлина од планетите.
Инфрацрвените телескопи се користат и за набљудување на јадрата на активните галаксии, што обично се замаглени со гасови и прашина. Далечните галаксии со црвено поместување имаат дел од спектарот поместен на поголеми бранови должини, така што најдобро се гледаат во инфрацрвеното подрачје.
4.11 Историја на уметноста
Инфрацрвените рефлектограми, како што ги нарекуваат историчарите на уметноста, служат за откривање на скриените слоеви боја на уметничките слики, односно за да откријат дали некоја слика е оригинал или копија, или дали сликата е изменета со реставраторски интервенции. Инфрацрвените уреди се корисни и при откривањето на старите текстови (ракописи), како што се “Ракописите од Мртвото Море” или ракописите пронајдени во пештерите Могао.
4.12 Биолошки системи
Постојат животни кои имаат сетила за инфрацрвеното зрачење, како што се змиите, вампирските лилјаци, некои тврдокрилци, некои пеперутки и бубачки.
4.13 Заштита на работа
Кај некои индустриски гранки постои опасност од влијанието на инфрацрвеното зрачење врз очите и видот, па затоа е потребно да се носат заштитни очила со инфрацрвени филтри.
5 Земјата и инфрацрвеното зрачење
Земјината површина и облаците го впиваат видливото и невидливото зрачење од Сонцето и повторно, назад во атмосферата, емитираат голем дел од енергијата во инфрацрвениот дел на спектарот. Некои честички во атмосферата, главно капки од водата и водената пареа, но и јаглеродниот диоксид, метанот, азотниот субоксид, сулфурниот хексафлуорид и хлор-флуор-јаглеродот, го впиваат тој дел од инфрацрвеното зрачење и повторно го испуштаат во сите насоки на Земјата. На тој начин ефектот на стаклена градина ги загрева атмосферата и површината на Земјата на повисока температурa, отколку кога би го немало инфрацрвеното зрачење.
6 Историја
Откривањето на инфрацрвеното зрачење му се припишува на Вилхелм Хершел, астроном од XIX век, кој во 1800 година објавил труд поврзан со инфрацрвеното зрачење. Тој користел призма за да создаде прекршување или рефракција на светлината од Сонцето и открил зголемување на температурата на топломерот во невидливиот дел на инфрацрвеното подрачје. Бил изненаден и новите зраци ги нарекол “топлински“ зраци.