Infračervené záření

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 30. června 2022; kontroly vyžadují 6 úprav .

Infračervené záření  - elektromagnetické záření zabírající spektrální oblast mezi červeným koncem viditelného světla (s vlnovou délkou [1] λ \u003d 0,74 mikronů [ 2] a frekvencí 430 T Hz ) a mikrovlnným rádiovým vyzařováním (λ ~ 1-2 mm, frekvence 300 GHz ) [3] .

Infračervené záření tvoří většinu záření žárovek , asi 50 % záření Slunce ; infračervené záření je vyzařováno některými lasery . K jeho registraci využívají tepelné a fotoelektrické přijímače a také speciální fotografické materiály [4] .

Vzhledem k velkému rozsahu infračerveného rozsahu se mohou optické vlastnosti látek v infračerveném záření výrazně lišit, včetně lišících se od jejich vlastností ve viditelném záření.

Historie objevů a obecná charakteristika

Infračervené záření objevil v roce 1800 anglický astronom W. Herschel . Zabýval se studiem Slunce a hledal způsob, jak snížit zahřívání přístroje, kterým byla pozorována. Pomocí teploměrů k určení vlivu různých částí viditelného spektra Herschel zjistil, že „maximální teplo“ leží za nasycenou červenou barvou a možná „za viditelným lomem“. Tato studie znamenala začátek studia infračerveného záření.

Dříve byly laboratorními zdroji infračerveného záření výhradně žhavá tělesa nebo elektrické výboje v plynech. Nyní byly na bázi pevnolátkových a molekulárních plynových laserů vytvořeny moderní zdroje infračerveného záření s nastavitelnou nebo pevnou frekvencí. K registraci záření v blízké infračervené oblasti (až ~ 1,3 μm) se používají speciální fotografické desky . Širší rozsah citlivosti (až asi 25 mikronů) mají fotoelektrické detektory a fotorezistory . Záření ve vzdálené infračervené oblasti je zaznamenáváno bolometry  - detektory citlivými na ohřev infračerveným zářením [5] .

IR zařízení je široce používáno jak ve vojenské technice (například pro navádění raket), tak v civilní technice (například v optických komunikačních systémech). Optické prvky v IR spektrometrech jsou buď čočky a hranoly, nebo difrakční mřížky a zrcadla. Pro vyloučení absorpce záření ve vzduchu jsou spektrometry pro vzdálenou infračervenou oblast vyráběny ve vakuové verzi [5] .

Vzhledem k tomu, že infračervená spektra jsou spojena s rotačními a vibračními pohyby v molekule, stejně jako s elektronickými přechody v atomech a molekulách, IR spektroskopie umožňuje získat důležité informace o struktuře atomů a molekul, jakož i o pásové struktuře. krystaly [5] .

Infračervené dosahy

Objekty obvykle vyzařují infračervené záření v celém spektru vlnových délek, ale někdy je zajímavá pouze omezená oblast spektra, protože senzory typicky sbírají záření pouze v určité šířce pásma. Infračervený rozsah je tedy často rozdělen na menší rozsahy.

Obvyklé schéma rozdělení

Nejčastěji se rozdělení na menší rozsahy provádí následovně: [6]

Zkratka Vlnová délka Fotonová energie Charakteristický
Blízké infračervené, NIR 0,75-1,4 um 1,7-0,9 eV Blízké IR, omezené na jedné straně viditelným světlem, na druhé straně průhledností vody, která se výrazně zhoršuje při 1,45 µm. V tomto rozsahu fungují široce rozšířené infračervené LED diody a lasery pro optické komunikační systémy a optické komunikační systémy. Videokamery a přístroje pro noční vidění založené na trubicích zesilovače obrazu jsou také citlivé v tomto rozsahu.
Krátkovlnné infračervené, SWIR 1,4-3 um 0,9–0,4 eV Absorpce elektromagnetického záření vodou se výrazně zvyšuje při 1450 nm. V oblasti na dlouhé vzdálenosti dominuje rozsah 1530-1560 nm.
Infračervené střední vlnové délky, MWIR 3-8 um 400-150 meV V tomto rozmezí začnou vyzařovat tělesa zahřátá na několik set stupňů Celsia. V tomto rozsahu jsou citlivé termonaváděcí hlavice systémů protivzdušné obrany a technické termokamery .
Dlouhovlnná infračervená, LWIR 8-15 um 150-80 meV V tomto rozmezí začínají vyzařovat tělesa s teplotou kolem nuly stupňů Celsia. V tomto rozsahu jsou citlivé termokamery pro přístroje pro noční vidění.
Dálkové infračervené, FIR 15 - 1000 um 80-1,2 meV

Schéma CIE

Mezinárodní komise pro osvětlení ( anglicky  International Commission on Illumination ) doporučuje rozdělení infračerveného záření do následujících tří skupin [7] :

Schéma ISO 20473

Mezinárodní organizace pro normalizaci navrhuje následující schéma:

Označení Zkratka Vlnová délka
blízko infračerveného NIR 0,78-3 um
střední infračervené MIR 3-50 um
daleko infračervené JEDLE 50-1000 um

Astronomická mapa

Astronomové obvykle rozdělují infračervené spektrum následovně [8] :

Označení Zkratka Vlnová délka
blízko infračerveného NIR (0,7…1) — 5 µm
střední infračervené MIR 5 — (25…40) µm
daleko infračervené JEDLE (25…40) — (200…350) µm

Tepelné záření

Tepelné záření nebo záření je přenos energie z jednoho tělesa na druhé ve formě elektromagnetických vln vyzařovaných tělesy v důsledku jejich vnitřní energie. Tepelné záření je převážně v infračervené oblasti spektra od 0,74 mikronů do 1000 mikronů . Charakteristickým rysem přenosu tepla sáláním je, že jej lze provádět mezi tělesy umístěnými nejen v jakémkoli médiu, ale také ve vakuu . Příkladem tepelného záření je světlo z žárovky . Síla tepelného záření objektu, který splňuje kritéria zcela černého tělesa , je popsána Stefanovým-Boltzmannovým zákonem . Poměr radiační a absorpční schopnosti těles popisuje Kirchhoffův radiační zákon . Tepelné záření je jedním ze tří základních typů přenosu tepelné energie (vedle vedení tepla a konvekce ). Rovnovážné záření je tepelné záření, které je v termodynamické rovnováze s hmotou.

Infračervené vidění

Orgány vnímání člověka a jiných vyšších primátů nejsou pro infračervené záření uzpůsobeny (jinými slovy, lidské oko ho nevidí), některé biologické druhy jsou však schopny infračervené záření svými orgány vidění vnímat . Takže například vidění některých hadů jim umožňuje vidět v infračervené oblasti a lovit teplokrevnou kořist v noci (kdy má její silueta nejvýraznější kontrast na pozadí chlazené oblasti). Navíc obyčejní hroznýši mají tuto schopnost současně s normálním viděním, díky čemuž jsou schopni vidět prostředí současně ve dvou rozsazích: normálně viditelné (jako většina zvířat) a infračervené. Mezi rybami se schopnost vidět pod vodou v infračerveném rozsahu vyznačuje rybami, jako je piranhapreying na teplokrevných zvířatech, která vstoupila do vody, a zlaté rybky . Z hmyzu mají komáři infračervené vidění , což jim umožňuje s velkou přesností navigovat do oblastí těla kořisti, které jsou nejvíce nasycené krevními cévami [9] .

Aplikace

Zařízení pro noční vidění

Existuje několik způsobů, jak vizualizovat neviditelný infračervený obraz:

Termografie

Infračervená termografie, termosnímek nebo termální video je metoda získání termogramu – obrazu v infračervených paprscích, který ukazuje obrázek rozložení teplotních polí. Termografické kamery nebo termokamery detekují záření v infračervené oblasti elektromagnetického spektra (cca 900-14000 nanometrů ) a na základě tohoto záření vytvářejí snímky, které umožňují určit přehřátá nebo přechlazená místa. Vzhledem k tomu, že infračervené záření je vyzařováno všemi objekty, které mají teplotu, podle Planckova vzorce pro záření černého tělesa vám termografie umožňuje „vidět“ prostředí s viditelným světlem nebo bez něj. Množství záření emitovaného objektem se zvyšuje s jeho teplotou, takže termografie umožňuje vidět rozdíly v teplotě. Teplé předměty jsou vidět lépe než ty ochlazené na okolní teplotu; lidé a teplokrevní živočichové jsou v prostředí snáze viditelní, a to jak ve dne, tak v noci.

Termokamery jsou využívány ozbrojenými silami k detekci tepelně kontrastních cílů (živá síla a technika) v kteroukoli denní dobu, hasičské a záchranné služby je využívají k vyhledávání obětí, identifikaci zdrojů hoření, analýze situace a vyhledávání evakuační cesty, využívají se i v lékařství k diagnostice různých nemocí, pomocí nich se zjišťuje přehřátí na kloubech a částech, které jsou v havarijním stavu atp.

Infračervené navádění

Infračervená naváděcí hlavice je naváděcí hlavice , která funguje na principu zachycování infračervených vln vyzařovaných zachyceným cílem . Jedná se o opticko-elektronické zařízení určené k identifikaci cíle proti okolnímu pozadí a vydávání záchytného signálu do automatického zaměřovacího zařízení (APU), jakož i k měření a vydávání signálu úhlové rychlosti zorného pole do zorného pole. autopilota .

Infračervený ohřívač

Infračervené záření je široce používáno pro vytápění místností a venkovních prostor. Infračervený ohřívač  - topné zařízení , které vydává teplo hlavně sáláním, nikoli konvekcí  - se používá k organizaci doplňkového nebo hlavního vytápění v místnostech (domy, byty, kanceláře atd.), jakož i k lokálnímu vytápění venkovních prostor ( pouliční kavárny, altány, verandy) nebo plochy ve velkých prostorách (pokladní plochy v hypermarketech) [10] .

Infračervený ohřívač se v každodenním životě někdy nepřesně nazývá reflektor. Energie záření je absorbována okolními povrchy, přeměňuje se na tepelnou energii, ohřívá je, které následně odevzdávají teplo vzduchu. To přináší významný ekonomický efekt ve srovnání s konvekčním vytápěním, kde je teplo výrazně vynaloženo na vytápění nevyužitého podstropního prostoru. Kromě toho je pomocí infračervených ohřívačů možné lokálně vytápět pouze ty oblasti v místnosti, kde je to nutné, aniž by se ohříval celý objem místnosti; tepelný efekt infrazářičů je cítit ihned po zapnutí, čímž nedochází k předehřívání místnosti. Tyto faktory snižují náklady na energii.

Při malování

Infračervené zářiče se často používají k sušení lakovaných povrchů. Infračervená metoda sušení má významné výhody oproti tradiční, konvekční metodě. Především je to ekonomický efekt: díky absorpci tepla přímo natřeným povrchem proces probíhá mnohem rychleji a spotřebuje se v tomto případě mnohem méně energie než u tradičních metod. Navíc je minimalizována konvekce vzduchu, což má za následek méně prachu na lakovaných površích.

Infračervená astronomie

Obor astronomie a astrofyziky , který studuje objekty ve vesmíru, které jsou viditelné v infračerveném světle. Infračervené záření v tomto případě znamená elektromagnetické vlny o vlnové délce od 0,74 do 2000 mikronů. Infračervené záření je v rozsahu mezi viditelným zářením , jehož vlnová délka se pohybuje od 380 do 750 nanometrů, a submilimetrovým zářením.

Infračervená astronomie se začala rozvíjet ve 30. letech 19. století, několik desetiletí po objevu infračerveného záření Williamem Herschelem . Zpočátku byl pokrok zanedbatelný a až do počátku 20. století nebyly objeveny žádné astronomické objekty v infračervené oblasti kromě Slunce a Měsíce , nicméně po sérii objevů učiněných v radioastronomii v 50. a 60. letech si astronomové uvědomili přítomnost velkého množství informací, které byly mimo viditelný rozsah.vlny. Od té doby se formuje moderní infračervená astronomie.

Infračervená spektroskopie

Infračervená spektroskopie je odvětví spektroskopie pokrývající oblast dlouhých vlnových délek spektra (> 730 nm za červenou hranicí viditelného světla ). Infračervená spektra vznikají jako výsledek vibračního (částečně rotačního) pohybu molekul, konkrétně jako výsledek přechodů mezi vibračními úrovněmi základního elektronového stavu molekul. IR záření je absorbováno mnoha plyny, s výjimkou O 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 a monoatomických plynů. Absorpce nastává při vlnové délce charakteristické pro každý konkrétní plyn, například pro CO je to vlnová délka 4,7 mikronu.

Pomocí infračervených absorpčních spekter lze stanovit strukturu molekul různých organických (i anorganických) látek s relativně krátkými molekulami: antibiotika , enzymy , alkaloidy , polymery , komplexní sloučeniny atd. Vibrační spektra molekul různých organických (i anorganických) látek s relativně dlouhými molekulami ( proteiny , tuky , sacharidy , DNA , RNA atd.) jsou v terahertzovém rozsahu , takže strukturu těchto molekul lze stanovit pomocí radiofrekvenčních spektrometrů v terahertzovém rozsahu. Podle počtu a polohy píku v IR absorpčním spektru lze usuzovat na povahu látky ( kvalitativní analýza ) a podle intenzity absorpčních pásů na množství látky ( kvantitativní analýza ). Hlavními přístroji jsou různé typy infračervených spektrometrů .

Přenos dat

Rozšíření infračervených LED, laserů a fotodiod umožnilo vytvořit na nich založenou bezdrátovou metodu optického přenosu dat. Ve výpočetní technice se obvykle používá pro propojení počítačů s periferními zařízeními ( rozhraní IrDA ), na rozdíl od rádiového kanálu je infračervený kanál necitlivý na elektromagnetické rušení , což umožňuje jeho použití v průmyslových podmínkách. Mezi nevýhody infračerveného kanálu patří potřeba optických oken na zařízení, správná relativní orientace zařízení. V současné době existuje velké množství výrobců síťových zařízení založených na přenosu světla v atmosféře (FSO), zpravidla se jedná o bod-bod. Nyní vědci dosáhli rychlosti přenosu dat v atmosféře více než 4 Tbps. Známé jsou přitom sériově vyráběné komunikační terminály s rychlostí až 100 Gbit/s. V podmínkách přímé viditelnosti může infračervený kanál zajistit komunikaci na vzdálenost několika kilometrů. O utajení komunikačního kanálu není třeba mluvit, protože IR rozsah není viditelný lidským okem (bez použití speciálního zařízení) a úhlová divergence komunikačního kanálu nepřesahuje 17 mrad ve všech osách.

Tepelné záření se využívá i pro příjem varovných signálů [11] .

Dálkové ovládání

Infračervené diody a fotodiody jsou široce používány v dálkových ovladačích , automatizačních systémech, bezpečnostních systémech, některých mobilních telefonech ( infračervené ), atd. Infračervené paprsky neodvádějí pozornost člověka kvůli své neviditelnosti.

Zajímavostí je, že infračervené záření domácího dálkového ovladače se snadno zachytí pomocí levných digitálních fotoaparátů nebo videokamer s nočním režimem, které nemají speciální infračervený filtr.

Medicína

Nejpoužívanější infračervené záření v medicíně je v různých snímačích průtoku krve (PPG).

Rozšířené měřiče tepové frekvence (HR, HR - Heart Rate) a saturace krve kyslíkem (SpO2) používají zelené (pro puls) a červené a infračervené (pro SpO2) radiační LED diody.

Infračervené laserové záření se používá v technice DLS (Digital Light Scattering) ke stanovení tepové frekvence a charakteristik průtoku krve.

Infračervené paprsky se využívají ve fyzioterapii .

Vliv dlouhovlnného infračerveného záření:

  • Stimulace a zlepšení krevního oběhu. Při působení dlouhovlnného infračerveného záření na kůži dochází k podráždění kožních receptorů a reakcí hypotalamu dochází k uvolnění hladkého svalstva cév, následkem čehož dochází k rozšíření cév.
  • Zlepšení metabolických procesů. Tepelný účinek infračerveného záření stimuluje aktivitu na buněčné úrovni, zlepšuje procesy neuroregulace a metabolismu.

Sterilizace potravin

Pomocí infračerveného záření jsou potravinářské výrobky sterilizovány za účelem dezinfekce. .

Potravinářský průmysl

Charakteristickým rysem použití infračerveného záření v potravinářském průmyslu je možnost pronikání elektromagnetické vlny do takových kapilárně porézních produktů, jako je obilí, obiloviny a mouka, do hloubky až 7 mm. Tato hodnota závisí na charakteru povrchu, struktuře, vlastnostech materiálu a frekvenční odezvě záření. Elektromagnetická vlna určitého frekvenčního rozsahu působí na produkt nejen tepelně, ale i biologicky, pomáhá urychlovat biochemické přeměny v biologických polymerech ( škrob , bílkoviny , lipidy ). Dopravníkové sušicí dopravníky lze s úspěchem použít při kladení obilí na sýpkách a v moučném průmyslu.

Nevýhodou je výrazně větší nerovnoměrnost ohřevu, která je v řadě technologických postupů zcela nepřípustná.

Autentizace peněz

Infračervený zářič se používá v zařízeních pro kontrolu peněz. Speciální metamerní inkousty nanesené na bankovku jako jeden z ochranných prvků jsou viditelné pouze v infračervené oblasti. Infračervené detektory měn jsou nejvíce bezchybná zařízení pro kontrolu pravosti peněz. . Nanášení infračervených štítků na bankovky, na rozdíl od ultrafialových, je pro padělatele drahé, a tudíž ekonomicky nerentabilní. . Detektory bankovek s vestavěným IR zářičem jsou dnes proto nejspolehlivější ochranou proti padělání. .

Dálkový průzkum Země

Infračervené záření je široce používáno při dálkovém průzkumu Země z vesmíru. Společné využití družicových snímků v infračervené oblasti se snímky v jiných částech spektra umožňuje použít pro analýzu zemského povrchu metody, které jsou v zásadě podobné spektroskopii. To platí zejména pro studium vegetace při výpočtu různých vegetačních indexů .

Zdravotní nebezpečí

Velmi silné infračervené záření v místech velkého žáru může vysušovat oční sliznici. Nejnebezpečnější je, když záření není doprovázeno viditelným světlem. V takových situacích je nutné nosit speciální ochranné brýle na oči [12] .

Infračervené záření o vlnové délce 1,35 µm, 2,2 µm, s dostatečným špičkovým výkonem v laserovém pulzu, může způsobit účinnou destrukci molekul DNA, která je silnější než záření v blízké infračervené oblasti [13] .

Země jako infračervený zářič

Zemský povrch a mraky pohlcují viditelné i neviditelné záření ze Slunce a většinu pohlcené energie znovu vyzařují jako infračervené záření zpět do atmosféry. Určité látky v atmosféře, především vodní kapky a vodní pára, ale také oxid uhličitý, metan, dusík, fluorid sírový a chlorfluoruhlovodíky toto infračervené záření pohlcují a znovu vyzařují do všech směrů, včetně zpět na Zemi. Skleníkový efekt tedy udržuje atmosféru a povrch teplejší, než kdyby v atmosféře nebyly žádné infračervené absorbéry [14] [15] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Délka elektromagnetické vlny ve vakuu.
  2. ↑ Infračervené záření // Kazachstán. Národní encyklopedie . - Almaty: Kazašské encyklopedie , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .  (CC BY SA 3.0)
  3. ↑ Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
  4. ↑ Infračervené záření // Velká encyklopedie Cyrila a Metoděje
  5. ↑ 1 2 3 Spectrum // Collierova encyklopedie
  6. ↑ Byrnes, James. Detekce a  zmírňování nevybuchlé munice . - Springer, 2009. - S.  21-22 . — ISBN 978-1-4020-9252-7 .
  7. ↑ Henderson, Roy úvahy o vlnové délce . Instituts für Umform- und Hochleistungs. Získáno 18. října 2007. Archivováno z originálu 28. října 2007.
  8. ↑ Blízké, střední a vzdálené infračervené záření . NASAIPAC. Získáno 4. dubna 2007. Archivováno z originálu 28. května 2013.
  9. ↑ Zvířata, která mohou vidět infračervené světlo Archivováno 15. června 2017 na Wayback Machine Rebeccou Boardmanovou; scincing.com . 25. dubna 2017.
  10. ↑ Infračervený topný systém . Získáno 29. října 2017. Archivováno z originálu dne 21. září 2017.
  11. ↑ A.I. Bodrenko. Patent RU 165421 U1 pro užitný vzor: Zařízení určené k příjmu výstražného signálu střelcem při použití samostatné ruční palné zbraně obsahující ovládací rukojeť a pažbu . FEDERÁLNÍ SLUŽBA PRO DUŠEVNÍ VLASTNICTVÍ (20. října 2016).  (nedostupný odkaz)
  12. ↑ Monona Rossol. Umělcův úplný průvodce zdravím a bezpečností . - 2001. - S. 33. - 405 s. — ISBN 978-1-58115-204-3 .
  13. ↑ Ivanov Igor. Celá oblast blízkého infračerveného záření je pro DNA destruktivní . elementy.ru (2. května 2014). Získáno 3. května 2014. Archivováno z originálu 3. května 2014.
  14. ↑ Globální zdroje skleníkových plynů . Emise skleníkových plynů ve Spojených státech 2000 . Správa energetických informací (2. května 2002). Datum přístupu: 13. srpna 2007. Archivováno z originálu 28. května 2013.
  15. ↑ Mraky a záření . Získáno 12. srpna 2007. Archivováno z originálu 16. září 2008.

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie