Infrarød stråling

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 30. juni 2022; checks kræver 6 redigeringer .

Infrarød stråling  - elektromagnetisk stråling , der optager det spektrale område mellem den røde ende af synligt lys (med en bølgelængde [1] λ \u003d 0,74 mikron [ 2] og en frekvens på 430 T Hz ) og mikrobølgeradioemission (λ ~ 1-2 mm, frekvens 300 GHz ) [3] .

Infrarød stråling udgør størstedelen af ​​strålingen fra glødelamper , omkring 50% af solens stråling ; infrarød stråling udsendes af nogle lasere . For at registrere det bruger de termiske og fotoelektriske modtagere samt specielle fotografiske materialer [4] .

På grund af den store udstrækning af det infrarøde område kan de optiske egenskaber af stoffer i infrarød stråling variere betydeligt, herunder adskille sig fra deres egenskaber i synlig stråling.

Opdagelseshistorie og generelle karakteristika

Infrarød stråling blev opdaget i 1800 af den engelske astronom W. Herschel . Da han var engageret i undersøgelsen af ​​Solen, ledte han efter en måde at reducere opvarmningen af ​​det instrument, som observationer blev foretaget med. Ved at bruge termometre til at bestemme effekten af ​​forskellige dele af det synlige spektrum, fandt Herschel, at "den maksimale varme" ligger bag den mættede røde farve og muligvis "bag synlig brydning." Denne undersøgelse markerede begyndelsen på undersøgelsen af ​​infrarød stråling.

Tidligere var laboratoriekilder til infrarød stråling udelukkende glødelegemer eller elektriske udladninger i gasser. Nu er der skabt moderne kilder til infrarød stråling med justerbar eller fast frekvens på basis af faststof- og molekylære gaslasere. For at registrere stråling i det nære infrarøde område (op til ~ 1,3 μm) bruges specielle fotografiske plader . Et bredere følsomhedsområde (op til omkring 25 mikron) er besat af fotoelektriske detektorer og fotomodstande . Stråling i det fjerne infrarøde område registreres af bolometre  - detektorer, der er følsomme over for opvarmning af infrarød stråling [5] .

IR-udstyr er meget udbredt både i militær teknologi (for eksempel til missilstyring) og i civil teknologi (for eksempel i fiberoptiske kommunikationssystemer). Optiske elementer i IR-spektrometre er enten linser og prismer eller diffraktionsgitre og spejle. For at udelukke absorption af stråling i luft fremstilles spektrometre til det fjerne infrarøde område i en vakuumversion [5] .

Da infrarøde spektre er forbundet med rotations- og vibrationsbevægelser i et molekyle, samt med elektroniske overgange i atomer og molekyler, gør IR-spektroskopi det muligt at opnå vigtig information om strukturen af ​​atomer og molekyler, samt om båndstrukturen af krystaller [5] .

Infrarøde områder

Objekter udsender typisk infrarød stråling over hele bølgelængdespektret, men nogle gange er kun et begrænset område af spektret af interesse, fordi sensorer typisk kun opsamler stråling inden for en vis båndbredde. Det infrarøde område er således ofte opdelt i mindre områder.

Det sædvanlige divisionsskema

Oftest sker opdelingen i mindre intervaller på følgende måde: [6]

Forkortelse Bølgelængde Foton energi Egenskab
Nær-infrarød, NIR 0,75-1,4 µm 1,7-0,9 eV Nær IR, begrænset på den ene side af synligt lys, på den anden side af vandgennemsigtighed, som forringes betydeligt ved 1,45 µm. Udbredte infrarøde LED'er og lasere til fiber- og luftbårne optiske kommunikationssystemer fungerer i dette område. Videokameraer og nattesynsenheder baseret på billedforstærkerrør er også følsomme i dette område.
Kortbølgelængde infrarød, SWIR 1,4-3 µm 0,9-0,4 eV Absorptionen af ​​elektromagnetisk stråling af vand stiger betydeligt ved 1450 nm. Området 1530-1560 nm dominerer i langdistanceområdet.
Midtbølgelængde infrarød, MWIR 3-8 µm 400-150 meV I dette område begynder legemer, der er opvarmet til flere hundrede grader Celsius, at stråle. I dette område er termiske målsøgningshoveder for luftforsvarssystemer og tekniske termiske kameraer følsomme .
Langbølgelængde infrarød, LWIR 8-15 µm 150-80 meV I dette område begynder kroppe med temperaturer omkring nul grader Celsius at stråle. I dette område er termiske kameraer til nattesynsapparater følsomme.
Fjern-infrarød, FIR 15 - 1000 µm 80-1,2 meV

CIE-skema

The International Commission on Illumination ( engelsk  International Commission on Illumination ) anbefaler opdelingen af ​​infrarød stråling i følgende tre grupper [7] :

ISO 20473 skema

Den Internationale Standardiseringsorganisation foreslår følgende ordning:

Betegnelse Forkortelse Bølgelængde
nær infrarød NIR 0,78-3 µm
mellem-infrarød MIR 3-50 µm
langt infrarød GRAN 50-1000 µm

Astronomisk kort

Astronomer opdeler normalt det infrarøde spektrum som følger [8] :

Betegnelse Forkortelse Bølgelængde
nær infrarød NIR (0,7…1) — 5 µm
mellem-infrarød MIR 5 — (25…40) µm
langt infrarød GRAN (25…40) — (200…350) µm

Termisk stråling

Termisk stråling eller stråling er overførsel af energi fra et legeme til et andet i form af elektromagnetiske bølger udstrålet af kroppe på grund af deres indre energi. Termisk stråling er hovedsageligt i det infrarøde område af spektret fra 0,74 mikron til 1000 mikron . Et karakteristisk træk ved strålingsvarmeoverførsel er, at den kan udføres mellem kroppe placeret ikke kun i et hvilket som helst medium, men også i vakuum . Et eksempel på termisk stråling er lys fra en glødelampe . Den termiske strålingseffekt af et objekt, der opfylder kriterierne for en fuldstændig sort krop, er beskrevet af Stefan-Boltzmann-loven . Forholdet mellem legemers strålings- og absorptionsevne er beskrevet af Kirchhoffs strålingslov . Termisk stråling er en af ​​de tre elementære typer af termisk energioverførsel (udover varmeledning og konvektion ). Ligevægtsstråling er termisk stråling, der er i termodynamisk ligevægt med stof.

Infrarødt syn

Opfattelsesorganerne hos mennesker og andre højere primater er ikke tilpasset til infrarød stråling (med andre ord, det menneskelige øje ser det ikke), men nogle biologiske arter er i stand til at opfatte infrarød stråling med deres synsorganer . Så for eksempel giver visionen af ​​nogle slanger dem mulighed for at se i det infrarøde område og jage varmblodet bytte om natten (når dens silhuet har den mest udtalte kontrast mod baggrunden af ​​et afkølet område). Desuden har almindelige boaer denne evne samtidig med normalt syn, som et resultat af hvilket de er i stand til at se miljøet samtidigt i to områder: normal synlig (som de fleste dyr) og infrarød. Blandt fisk er evnen til at se under vand i det infrarøde område kendetegnet ved fisk som piranhapreying på varmblodede dyr, der er kommet ind i vandet, og guldfisk . Blandt insekter har myg infrarødt syn , som giver dem mulighed for at navigere med stor nøjagtighed til de områder af byttets krop, der er mest mættet med blodkar [9] .

Ansøgning

Nattesynsenhed

Der er flere måder at visualisere et usynligt infrarødt billede på:

Termografi

Infrarød termografi, termisk billede eller termisk video er en metode til at få et termogram - et billede i infrarøde stråler, der viser et billede af fordelingen af ​​temperaturfelter. Termografiske kameraer eller termiske kameraer registrerer stråling i det infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum (ca. 900-14000 nanometer ) og skaber på baggrund af denne stråling billeder, der giver dig mulighed for at bestemme overophedede eller superkølede steder. Da infrarød stråling udsendes af alle objekter, der har en temperatur, ifølge Plancks formel for sort kropsstråling , giver termografi dig mulighed for at "se" omgivelserne med eller uden synligt lys. Mængden af ​​stråling, der udsendes af et objekt, stiger, når dets temperatur stiger, så termografi giver dig mulighed for at se forskelle i temperatur. Varme genstande ses bedre end dem, der er afkølet til omgivelsestemperatur; mennesker og varmblodede dyr er lettere synlige i miljøet, både om dagen og om natten.

Termiske kameraer bruges af de væbnede styrker til at detektere varmekontrastmål (mandskab og udstyr) på ethvert tidspunkt af dagen, de bruges af brand- og redningstjenester til at søge efter ofre, identificere forbrændingskilder, analysere situationen og søge efter evakueringsveje, de bruges også i medicin til at diagnosticere forskellige sygdomme, ved hjælp af dem opdages overophedning ved led og dele, der er i nødtilstand mv.

Infrarød målsøgning

Et infrarødt målsøgningshoved er et målsøgningshoved, der fungerer efter princippet om at fange infrarøde bølger udsendt af et fanget mål . Det er en optisk-elektronisk enhed designet til at identificere et mål mod den omgivende baggrund og afgive et fangesignal til en automatisk sigteanordning (APU), samt til at måle og udsende et signal om vinkelhastigheden af ​​sigtelinjen til autopilot .

Infrarød varmelegeme

Infrarød stråling er meget brugt til opvarmning af rum og udendørs rum. Infrarød varmelegeme  - en opvarmningsenhed, der hovedsageligt afgiver varme ved stråling og ikke ved konvektion  - bruges til at organisere ekstra eller hovedopvarmning i værelser (huse, lejligheder, kontorer osv.), såvel som til lokal opvarmning af udendørs rum ( gadecaféer, lysthuse, verandaer) eller områder i store lokaler (kasseområder i hypermarkeder) [10] .

En infrarød varmelegeme i hverdagen kaldes nogle gange unøjagtigt en reflektor. Strålingsenergi absorberes af de omgivende overflader, bliver til termisk energi, opvarmer dem, som igen afgiver varme til luften. Dette giver en markant økonomisk effekt sammenlignet med konvektionsvarme, hvor der bruges betydelig varme på at opvarme det uudnyttede underloftsrum. Derudover bliver det ved hjælp af IR-varmere muligt at opvarme lokalt kun de områder i rummet, hvor det er nødvendigt uden at opvarme hele rummets rumfang; den termiske effekt af infrarøde varmeapparater mærkes umiddelbart efter tænding, hvilket undgår forvarmning af rummet. Disse faktorer reducerer energiomkostningerne.

Når du maler

Infrarøde emittere bruges ofte til at tørre malede overflader. Den infrarøde tørringsmetode har betydelige fordele i forhold til den traditionelle konvektionsmetode . Først og fremmest er dette en økonomisk effekt: På grund af absorptionen af ​​varme fra den direkte malede overflade går processen meget hurtigere, og der bruges meget mindre energi i dette tilfælde end med traditionelle metoder. Derudover er luftkonvektion minimeret, hvilket resulterer i mindre støv på malede overflader.

Infrarød astronomi

Den gren af ​​astronomi og astrofysik , der studerer objekter i rummet, der er synlige i infrarødt lys. I dette tilfælde betyder infrarød stråling elektromagnetiske bølger med en bølgelængde fra 0,74 til 2000 mikron. Infrarød stråling er i området mellem synlig stråling , hvis bølgelængde spænder fra 380 til 750 nanometer, og submillimeter stråling.

Infrarød astronomi begyndte at udvikle sig i 1830'erne, flere årtier efter William Herschels opdagelse af infrarød stråling . Til at begynde med var fremskridtet ubetydeligt, og indtil begyndelsen af ​​det 20. århundrede var der ingen opdagelser af astronomiske objekter i det infrarøde med undtagelse af Solen og Månen , men efter en række opdagelser inden for radioastronomi i 1950'erne og 1960'erne indså astronomerne tilstedeværelsen af en stor mængde information, der var uden for det synlige område. Siden da er moderne infrarød astronomi blevet dannet.

Infrarød spektroskopi

Infrarød spektroskopi er en gren af ​​spektroskopi , der dækker det lange bølgelængdeområde af spektret (> 730 nm ud over den røde grænse for synligt lys ). Infrarøde spektre opstår som et resultat af vibrationel (delvis roterende) bevægelse af molekyler, nemlig som et resultat af overgange mellem vibrationsniveauer af molekylers jordelektroniske tilstand. IR-stråling absorberes af mange gasser, med undtagelse af såsom O 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 og monoatomiske gasser. Absorption sker ved en bølgelængde, der er karakteristisk for hver specifik gas, for CO, for eksempel, er dette bølgelængden på 4,7 mikron.

Ved hjælp af infrarøde absorptionsspektre kan man etablere strukturen af ​​molekyler af forskellige organiske (og uorganiske) stoffer med relativt korte molekyler: antibiotika , enzymer , alkaloider , polymerer , komplekse forbindelser osv. Vibrationsspektre af molekyler af forskellige organiske (og uorganiske) stoffer med relativt lange molekyler ( proteiner , fedtstoffer , kulhydrater , DNA , RNA osv.) er i terahertz-området , så strukturen af ​​disse molekyler kan etableres ved hjælp af radiofrekvensspektrometre i terahertz - området. Ud fra antallet og placeringen af ​​toppene i IR-absorptionsspektrene kan man bedømme stoffets natur ( kvalitativ analyse ), og ud fra intensiteten af ​​absorptionsbåndene, mængden af ​​stoffet ( kvantitativ analyse ). De vigtigste instrumenter er forskellige typer infrarøde spektrometre .

Dataoverførsel

Udbredelsen af ​​infrarøde lysdioder, lasere og fotodioder gjorde det muligt at skabe en trådløs optisk datatransmissionsmetode baseret på dem. I computerteknologi bruges det normalt til at forbinde computere med perifere enheder ( IrDA interface ) I modsætning til radiokanalen er den infrarøde kanal ufølsom over for elektromagnetisk interferens , og det gør det muligt at bruge den under industrielle forhold. Ulemperne ved den infrarøde kanal omfatter behovet for optiske vinduer på udstyret, den korrekte relative orientering af enhederne. I øjeblikket er der et stort antal producenter af netværksudstyr baseret på transmission af lys i atmosfæren (FSO), som regel er dette punkt-til-punkt. Nu har forskere opnået en dataoverførselshastighed i atmosfæren på mere end 4 Tbps. Samtidig kendes masseproducerede kommunikationsterminaler med hastigheder op til 100 Gbit/s. Under synslinjeforhold kan den infrarøde kanal levere kommunikation over afstande på flere kilometer. Der er ingen grund til at tale om kommunikationskanalens hemmeligholdelse, da IR-området ikke er synligt for det menneskelige øje (uden at bruge en speciel enhed), og kommunikationskanalens vinkeldivergens overstiger ikke 17 mrad i alle akser.

Termisk stråling bruges også til at modtage advarselssignaler [11] .

Fjernbetjening

Infrarøde dioder og fotodioder er meget udbredt i fjernbetjeninger , automatiseringssystemer, sikkerhedssystemer, nogle mobiltelefoner ( infrarød ) osv. Infrarøde stråler distraherer ikke en persons opmærksomhed på grund af deres usynlighed.

Interessant nok er den infrarøde stråling fra en husholdningsfjernbetjening let fanget ved hjælp af billige digitale kameraer eller videokameraer med nattilstand, som ikke har et specielt infrarødt filter.

Medicin

Den mest udbredte infrarøde stråling i medicin er i forskellige blodstrømssensorer (PPG'er).

Udbredte pulsmålere (HR, HR - Heart Rate) og blodiltmætning (SpO2) målere bruger grønne (til puls) og røde og infrarøde (for SpO2) strålings-LED'er.

Infrarød laserstråling bruges i DLS-teknikken (Digital Light Scattering) til at bestemme pulsfrekvensen og blodgennemstrømningsegenskaberne.

Infrarøde stråler bruges i fysioterapi .

Påvirkning af langbølget infrarød stråling:

  • Stimulering og forbedring af blodcirkulationen. Når de udsættes for langbølget infrarød stråling på huden, opstår der irritation af hudreceptorerne, og på grund af hypothalamus reaktion slapper de glatte muskler i blodkarrene af, som følge heraf udvider karrene sig.
  • Forbedring af metaboliske processer. Den termiske effekt af infrarød stråling stimulerer aktivitet på cellulært niveau, forbedrer processerne for neuroregulering og metabolisme.

Fødevaresterilisering

Ved hjælp af infrarød stråling steriliseres fødevarer med henblik på desinfektion. .

Fødevareindustrien

Et træk ved brugen af ​​infrarød stråling i fødevareindustrien er muligheden for indtrængning af en elektromagnetisk bølge i sådanne kapillærporøse produkter som korn, korn og mel, til en dybde på op til 7 mm. Denne værdi afhænger af arten af ​​overfladen, strukturen, materialets egenskaber og strålingens frekvensrespons. En elektromagnetisk bølge af et bestemt frekvensområde har ikke kun en termisk, men også en biologisk effekt på produktet, det hjælper med at accelerere biokemiske transformationer i biologiske polymerer ( stivelse , protein , lipider ). Transportørtørrende transportører kan med succes anvendes ved udlægning af korn i kornmagasiner og i melformalingsindustrien.

Ulempen er den betydeligt større uensartethed af opvarmning, hvilket er fuldstændig uacceptabelt i en række teknologiske processer.

Godkendelse af penge

Den infrarøde emitter bruges i enheder til at tjekke penge. Speciel metamerisk blæk påført pengesedlen som et af sikkerhedselementerne kan kun ses i det infrarøde område. Infrarøde valutadetektorer er de mest fejlfrie enheder til at kontrollere penge for ægthed. . Det er dyrt for falskmøntnere at anvende infrarøde mærker på pengesedler, i modsætning til de ultraviolette, og derfor økonomisk urentabelt. . Derfor er pengeseddeldetektorer med en indbygget IR-sender i dag den mest pålidelige beskyttelse mod forfalskning. .

Fjernmåling af jorden

Infrarød stråling er meget udbredt til fjernmåling af Jorden fra rummet. Den fælles brug af satellitbilleder i IR-området med billeder i andre dele af spektret gør det muligt at anvende metoder, der grundlæggende ligner spektroskopi, til at analysere jordens overflade. Dette gælder især for undersøgelsen af ​​vegetation ved beregning af forskellige vegetationsindekser .

Sundhedsfare

Meget stærk infrarød stråling på steder med høj varme kan udtørre øjnenes slimhinde. Det er farligst, når strålingen ikke er ledsaget af synligt lys. I sådanne situationer er det nødvendigt at bære specielle beskyttelsesbriller til øjnene [12] .

Infrarød stråling med en bølgelængde på 1,35 µm, 2,2 µm, med en tilstrækkelig spidseffekt i en laserpuls, kan forårsage effektiv ødelæggelse af DNA-molekyler, som er stærkere end stråling i det nære infrarøde område [13] .

Jorden som en infrarød emitter

Jordens overflade og skyer absorberer synlig og usynlig stråling fra Solen og genudstråler det meste af den absorberede energi som infrarød stråling tilbage til atmosfæren. Visse stoffer i atmosfæren, hovedsageligt vanddråber og vanddamp, men også kuldioxid, metan, nitrogen, svovlhexafluorid og chlorfluorcarboner absorberer denne infrarøde stråling og genudstråler den i alle retninger, også tilbage til Jorden. Drivhuseffekten holder således atmosfæren og overfladen varmere, end hvis der ikke var infrarøde absorbere i atmosfæren [ 14] [15] .

Se også

Noter

  1. ↑ Længden af ​​en elektromagnetisk bølge i et vakuum.
  2. ↑ Infrarød stråling // Kasakhstan. National Encyclopedia . - Almaty: Kasakhiske encyklopædier , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .  (CC BY SA 3.0)
  3. ↑ Great Russian Encyclopedia  : [i 35 bind]  / kap. udg. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
  4. ↑ Infrarød stråling // Big Encyclopedia of Cyril and Methodius
  5. ↑ 1 2 3 Spectrum // Collier's Encyclopedia
  6. ↑ Byrnes, James. Ueksploderet ammunitionsdetektion og  afbødning . - Springer, 2009. - S.  21-22 . — ISBN 978-1-4020-9252-7 .
  7. ↑ Henderson, Roy Overvejelser om bølgelængde . Instituts für Umform- und Hochleistungs. Hentet 18. oktober 2007. Arkiveret fra originalen 28. oktober 2007.
  8. ↑ Nær-, mellem- og fjerninfrarød . NASAIPAC. Hentet 4. april 2007. Arkiveret fra originalen 28. maj 2013.
  9. ↑ Dyr der kan se infrarødt lys Arkiveret 15. juni 2017 på Wayback Machine af Rebecca Boardman; science.com . 25. april 2017.
  10. ↑ Infrarødt varmesystem . Hentet 29. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 21. september 2017.
  11. ↑ A.I. Bodrenko. Patent RU 165421 U1 for brugsmodel: En anordning designet til at modtage et advarselssignal af en skytte, når denne bruger et individuelt håndvåbenskydevåben indeholdende et kontrolhåndtag og et skud . FEDERAL SERVICE FOR IMMATERIELL EJENDOM (20. oktober 2016).  (utilgængeligt link)
  12. ↑ Monona Rossol. Kunstnerens komplette sundheds- og sikkerhedsvejledning . - 2001. - S. 33. - 405 s. — ISBN 978-1-58115-204-3 .
  13. ↑ Ivanov Igor. Hele området for nær infrarød stråling er ødelæggende for DNA . elementy.ru (2. maj 2014). Hentet 3. maj 2014. Arkiveret fra originalen 3. maj 2014.
  14. ↑ Globale kilder til drivhusgasser . Emissioner af drivhusgasser i USA 2000 . Energiinformationsforvaltningen (2. maj 2002). Dato for adgang: 13. august 2007. Arkiveret fra originalen den 28. maj 2013.
  15. ↑ Skyer og stråling . Hentet 12. august 2007. Arkiveret fra originalen 16. september 2008.

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier