Promienie podczerwone

Promieniowanie podczerwone, podczerwień, IR (ang. Infrared radiation ).

Jest to promieniowanie elektromagnetyczne znajdujące się między czerwienią widma widzialnego ( λ=0,74μm ) i krσtkofalowym promieniowaniem radiowym ( --λ= 1-2 mm) . Nie jest widzialna dla oka ludzkiego.

Podczerwień dzieli się na trzy podzakresy tj.:
1. Podczerwień bliska λ=0,74-2,5μm
2. Podczerwień średnią λ=2,5-50μm
3. Podczerwień daleka λ=50-2000μm

Atmosfera ziemska przepuszcza podczerwień w zakresie 400-700 nm co nazywamy oknem atmosferycznym. Promienie podczerwone są silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery( para wodna i dwutlenek węgla całkowicie pochłaniają fale o długości λ=1,87-2; 2,5-2,75; 5,5-7,5μm) a dla fali o λ>14μm atmosfera jest w ogóle nieprzezroczysta, dzięki czemu stanowi ona swego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczając ją przed zbytnim ochłodzenie. Widmo podczerwieni tak samo jak widmo promieniowania nadfioletowego czy widzialnego może być liniowe, pasmowe lub ciągłe. Liniowe widmo emitują wzbudzone atomy przy przejściach między bliskimi poziomami elektronowymi. Np. atomy rtęci wysyłają szereg linii leżących w bliskiej podczerwieni ( λ=1,01-2,32μm ) a służą one do kalibrowania przyrządów spektrometrycznych. Linie atomu wodoru z serii Paschena, Bracketta i Pfunda również znajdują się w zakresie podczerwieni.

Źródła podczerwieni

1. Naturalne - źródła to wszystkie ciała ogrzane (np. ciało człowieka, słońce)

2. Lampy żarowe o dużej mocy tj. 250-1000 W z nicią wolframową. Bańka lampy oprócz specjalnego kształtu są pokryte specjalną warstwą odbijającą co pozwala na skoncentrowanie promieniowania w wąskim kącie bryłowym (ukierunkowanie promienia). Temperatura nici wynosi ok. 2200oK a maksimum promieniowania jest przy λ=1,2μm.
- By uzyskać bliską podczerwień można użyć lampy ze wstęgą wolframową.
- Do uzyskania średniej podczerwieni( λ=2,5-25μm) można zastosować palnik Nernsta a w obszarze λ=25-100μm- za pomocą wstęgi platynowej pokrytej tlenkami metali ziem rzadkich ( tor, cyrkon, cer itp.) rozżarzonej prądem.
- Natomiast daleką podczerwień (λ=100-1600μm) uzyskujemy dzięki kwarcowej wysokociśnieniowej lampie rtęciowej.

3. Wtórne. Np. ogrzana ziemia jest również źródłem podczerwieni.

Metody wykrywania podczerwieni

Człowiek wprawdzie nie widzi podczerwieni, lecz może je odczuwać w postaci uczucia ciepła pod warunkiem, iż będzie ono dostatecznie intensywne.

Istnieją również specjalne przyrządy do pomiaru tego typu fal.
1. Detektory termoelektryczne.
Pewien element układu najczęściej elektronicznego jest dobrany w ten sposób, iż każda zmiana fali podczerwonej powoduje zmianę oporu tego elementu. Najlepszym przykładem jest dioda krzemowa, którą na masową skalę zastosowano do elektronicznych termometrów jako czujnik. Co ważne działają w całe fali podczerwonej.

2. Detektory fotoelektryczne.
Wielkość sygnału zależy od liczby efektywnie pochłoniętych kwantów i ich energii, tzn. od długości i natężenia fali padającej. Z tego wniosek, iż są to elementy działające selektywnie, czyli czułe w pewnym przedziale. Te elementy są 10-100 razy czulsze od elementów termoelektrycznych.

Zastosowania urządzeń wykrywających promienie podczerwone i samego promieniowania podczerwonego.
- Chyba najbardziej oczywiste zastosowanie jest ogrzewanie i suszenie obiektów.

- Najbardziej zaawansowane systemy detekcji promieni IR tworzą armie różnych krajów jako systemy naprowadzania rakiet krótkiego i średniego zasięgu. Każde urządzenie będące w ruchy jest emiterem takich fal. Intensywność fali zależy od tego jakie to urządzenie. Np. samolot odrzutowy, a raczej jego silniki mają taką temperaturę, iż bez większych problemów rakiety go lokalizują. Lecz w innych dziedzinach militarnych mają zastosowanie. Również czołgi, łodzie podwodne i nawodne są takimi emiterami. Dlatego samoloty i łodzie podwodne mają specjalne pociski (tzw. flary), które mają zmienić tor atakującej rakiety lub torpedy przez to, iż po wystrzeleniu wybuchają a emitowane ciepło jest uważane jako nowy cel. Obecnie systemy te są wprowadzane jako pomocnicze, a nie główne. Samo działanie polega na tym, iż montuje się wysoko czuły bolometr w ognisku zwierciadła parabolicznego. Jeżeli w obszarze działania zwierciadła znajduje się coś o temperaturze większej niż otoczenie jest to uważane za cel.

- Kamery termowizyjne i aparaty fotograficzne. Użycie filtrów i odpowiednich błon w przypadku aparatu daje możliwość lokalizacji przedmiotów np. w ciemności. Na szeroką skalę kamery termowizyjne wykorzystuje straż graniczna i straż pożarna do lokalizacji ludzi w ciemnościach i przy silnym zadymieniu w przypadku straży pożarnej. Pierwowzorem tych urządzeń był stosowany do dziś noktowizor. Działa on w zakresie bliskiej podczerwieni ( λ=0,8-1,2μm) wysyłając wiązkę, a potem rejestrują jej odbitą część. Obecnie wykorzystuje się częściej noktowizory pasywne wykorzystujące światło odbite od księżyca i światło gwiazd i po zastosowaniu odpowiedniego wzmacniacza powstaje obraz. Same zdjęcia mają olbrzymie znaczenie w diagnozowaniu stanów patologicznych układu krążenia w medycynie. Wykrywanie fałszywości dokumentów i dzieł sztuki w technice kryminalistyki. Przy robieniu zdjęć astronomicznych, gdyż podczerwień doznaje mniejszego osłabienia niż widmo widzialne przy przechodzeniu przez warstwę chmur.

- Termometry IR (wirometry). Są to urządzenia mogące mierzyć temperaturę (temp. barwną) bez bezpośredniego kontaktu z przedmiotem. Taki termometr składa się podobnie jak system naprowadzania rakiet z zwierciadła parabolicznego i elementu odbierającego promienie IR. Najlepszym przykładem zastosowania tego typu termometru jest sprawdzanie jakości wykonywania izolacji budynków. Bez specjalnego sprzętu i wielkich nakładów finansowych można określić w których miejscach izolacja jest wadliwie wykonana. By zwiększyć dokładność pomiarów trzeba skonfrontować pokazany wynik z odpowiednimi tabelami, w których trzeba odnaleźć materiał, kolor i inne właściwości badanego materiału.

- Detektory piroelektryczne będące świetnym czujnikiem ruch wykorzystuje się do budowy systemów alarmowych i przekaźnikowych umożliwiając np. włączanie oświetlenia tylko w momencie wykrycia ruchu.

- W dziedzinie informatyczno-telekomunikacyjnej zastosowanie odbiorników i nadajników IR to transfery danych bez konieczności połączenia kablowego. Np. komputer z drukarką lub zwykły pilot do telewizora czy alarmu samochodowego.

- Badanie widm emisyjnych, a w szczególności widm absorpcyjnych molekuł stosuje się przy określaniu struktury molekuł, a także w jakościowej i ilościowej analizie mieszanin o złożonym składzie (np. paliw)
Promienie podczerwone odkrył w 1800 J.F. Herschel. Dokładne badanie właściwości podczerwieni przeprowadzili później M. Malloni (1834- odbicie i załamanie) i K.H. Knoblauch ( 1864 -dyfrakcja, interferencja i pomiar długości fali). Obecnie badania nad podczerwienią są uzupełnieniem badań o promieniach widzialnych.