Электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 0,74 мкм до 2 мм именуется в физике инфракрасным излучением или инфракрасными лучами, сокращенно «ИК». Оно занимает ту часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым оптическим излучением (берущим начало в районе красного цвета) и коротковолновым радиодиапазоном.
Хотя практически инфракрасное излучение не воспринимается человеческим глазом как свет и не обладает каким-то определенным цветом, оно относится, тем не менее, к оптическому излучению, и находит самое широкое применение в современной технике.
Инфракрасные волны, что характерно, нагревают поверхности тел, поэтому инфракрасное излучение еще часто именуют тепловым излучением. Всю инфракрасную область принято условно делить на три части:
-
далекая ИК область — с длинами волн от 50 до 2000 мкм;
-
средняя ИК область — с длинами волн от 2,5 до 50 мкм;
-
ближняя ИК область — от 0,74 до 2,5 мкм.
ИК-излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, а позже, в 1802 году, независимо от него, английским же ученым Уильямом Волластоном.
Спектры в ИК-диапазоне
Атомные спектры, получаемые в виде инфракрасных лучей, — линейчатые; спектры конденсированных сред — непрерывные; молекулярные спектры — полосатые. Суть в том, что для инфракрасных лучей, по сравнению с видимой и ультрафиолетовой областями электромагнитного спектра, оптические свойства веществ, такие как коэффициент отражения, пропускания, преломления, - сильно отличаются.
Многие из веществ хотя и пропускают видимый свет, при этом оказываются непрозрачными для волн части инфракрасного диапазона.
Так, например, слой воды в несколько сантиметров толщиной - непрозрачен для инфракрасной волны с длиной более 1 мкм, и в некоторых условиях может использоваться в качестве теплозащитного фильтра. А слои германия или кремния не пропускают видимый свет, зато хорошо пропускают инфракрасные лучи определенной длины волны. ИК-лучи дальней области черная бумага пропускает легко, и может служить фильтром для их выделения.
Большинство металлов, такие как алюминий, золото, серебро и медь, - отражают инфракрасное излучение с большей длиной волны, например при длине волны ИК-лучей в 10 мкм, отражение от металлов доходит до 98%. Твердые и жидкие вещества неметаллической природы отражают лишь часть диапазона ИК, в зависимости от химического состава конкретного вещества. В силу данных особенностей взаимодействия ИК-лучей с различными средами, они успешно используются во многих исследованиях.
Рассеивание ИК-излучения
Инфракрасные волны исходящие от Солнца, проходя через атмосферу Земли, частично рассеиваются и ослабляются на молекулах и атомах воздуха. Кислород и азот атмосферы частично ослабляют ИК-лучи, рассеивая их, но не поглощая полностью, как поглощают часть лучей видимого спектра.
Содержащиеся в атмосфере вода, углекислый газ и озон частично поглощают инфракрасные лучи, причем более всего поглощает их вода, так как ее спектры ИК-поглощения приходятся на всю область инфракрасного спектра, а спектры поглощения углекислого газа — попадают лишь на среднюю область.
Слои атмосферы вблизи поверхности Земли пропускают совсем небольшую долю ИК-излучения, так как дым, пыль и вода дополнительно ослабляют его, рассеивая энергию на своих частицах. Чем меньше частицы (дыма, пыли, воды и т.д.) — тем меньше рассеивание ИК и больше рассеивание волн видимого спектра. Данный эффект применяется в инфракрасной фотографии.
Источники ИК-излучения
Для нас, живущих на Земле, очень мощным естественным источником инфракрасного излучения является Солнце, ведь половина его электромагнитного спектра приходится именно на инфракрасный диапазон. У ламп накаливания ИК-спектр составляет до 80% энергии излучения.
Также к искусственным источникам ИК-излучения относятся: электрическая дуга, газоразрядные лампы, и, конечно, бытовые обогреватели на ТЭНах. В науке для получения ИК-волн применяют штифт Нернста, вольфрамовые нити, а также ртутные лампы высокого давления и даже специальные ИК-лазеры (неодимовое стекло дает длину волны 1,06 мкм, а гелий-неоновый лазер — 1,15 и 3,39 мкм, углекислый газ — 10,6 мкм).
Приемники ИК-излучения
Принцип работы приемников ИК-волн основывается на преобразовании энергии падающего излучения в другие виды энергии, доступные для измерения и использования. Поглощаемое в приемнике, ИК-излучение разогревает термочувствительный элемент, и повышение температуры регистрируется.
Фотоэлектрические приемники ИК-лучей генерируют электрическое напряжение и ток, реагируя на определенную узкую часть ИК-спектра, для работы с которой они предназначены, то есть фотоэлектрические ИК-приемники селективны. Для ИК-волн из диапазона до 1,2 мкм фоторегистрацию осуществляют при помощи специальных фотоэмульсий.
Очень широкое применение находит инфракрасное излучение в науке и технике, особенно для решения практических исследовательских задач. Исследуются спектры поглощения и испускания молекул и твердых тел, которые как раз приходятся на инфракрасную область.
Данный подход к исследованиям называется инфракрасной спектроскопией, позволяющей решать структурные задачи, проводя количественный и качественный спектральный анализ. На далекую ИК-область приходятся излучения, вызываемые переходами между подуровнями атомов. Благодаря ИК-спектрам можно изучать структуры электронных оболочек атомов.
И это не говоря о фотографии, когда один и тот же объект, будучи сфотографирован сначала в видимом, а затем — в инфракрасном диапазоне, будет выглядеть по разному, так как из-за различия в коэффициентах пропускания, рассеяния и отражения для разных областей электромагнитного спектра, некоторые элементы и детали в необычном режиме фотосъемки могут вообще отсутствовать: на обычной фотографии кое-что будет отсутствовать, а на ИК-фото — станет видимым.
Нельзя недооценить промышленное и бытовое использование инфракрасного излучения. Его применяют для сушки и нагрева различных изделий и материалов на производствах. В домах — обогревают помещения.
Электронно-оптические преобразователи используют фотокатоды, чувствительные в инфракрасной области электромагнитного спектра, что позволяет видеть то, что невидимо невооруженным глазом.
Приборы ночного видения позволяют видеть в темноте благодаря облучению объектов ИК-лучами, ИК-бинокли — вести наблюдение ночью, ИК-прицелы — вести прицеливание в полной темноте и т. д. Кстати, с помощью инфракрасного излучения можно воспроизвести точный эталон метра.
Приемники ИК-волн повышенной чувствительности позволяют вести пеленгацию различных объектов по их тепловому излучению, так например работают системы самонаведения ракет, которые дополнительно генерируют собственное ИК-излучение.
Дальномеры и локаторы на основе ИК-лучей дают возможность наблюдать некоторые предметы в темноте, и измерять расстояние до них с высокой точностью. ИК-лазеры используются в научных исследованиях, для зондирования атмосферы, для осуществления космической связи и т.д.
Смотрите дальше: Инфракрасная термография и тепловое изображение