Топ питань
Часова шкала
Чат
Перспективи
Інфрачервоне випромінювання
електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, більшою, ніж у видимого світла, і меншою, ніж у мікрохвильового випромінювання З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Remove ads
Інфрачерво́ні промені (від лат. infra — нижче, скорочено ІЧ) — електромагнітні промені, що охоплюють спектральну область між червоною межею видимого світла з довжиною хвилі λ = 700 нм (частота близько 430 ТГц) та мікрохвильовими променями з довжиною хвилі λ ~ 1 мм (частота близько 300 ГГц)[1]. Інфрачервоні промені часом називають інфрачервоним світлом.
Людське око не бачить інфрачервоних променів, органи чуття деяких інших тварин, наприклад, змій та кажанів, сприймають інфрачервоне проміння, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві.
Інфрачервоні промені також називають «тепловими променями» через залежність їхнього спектру й інтенсивности від температури, а також сприйняттям його шкірою людини як відчуття тепла. Довжини хвиль, які тіло випромінює, залежать від температури: що вища температура, то коротша довжина хвилі й вища інтенсивність випромінювання. Отже, зі зростанням температури максимум інтенсивности випромінювання зміщується в бік коротших хвиль, тобто в напрямку видимого діапазону. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла за відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температур, лежить здебільшого саме в цьому проміжку. Збуджені атоми або йони також випускають інфрачервоні промені.
Remove ads
Детектори руху
Детектори руху на основі інфрачервоних давачів сприймають інфрачервоні промені або, інакше кажучи, тепло. Особливим чином вигнута лінза Френеля збирає інфрачервоне проміння на піросенсорі детектора. Після цього зазвичай сигнал давача надходить до мікропроцесора, що перетворює його на цифрові дані. Під час аналізу даних, маючи дані про інтенсивність інфрачервоного випромінювання та рух джерела, програмні алгоритми можуть визначити характер об'єкту та його потенційної загрози[2].
Remove ads
Джерела інфрачервоного проміння
Узагальнити
Перспектива
Всі тіла, що мають вищу за абсолютний нуль температуру, випромінюють в інфрачервоному діапазоні.
Близько 50 % загальної інтенсивности випромінювання Сонця над поверхнею моря в сонячний день припадає на інфрачервоний діапазон[3].
Значна частка (від 70 до 80 %) енергії променів ламп розжарення з вольфрамовою ниткою припадає на інфрачервоні промені (їх можна використати, наприклад, для сушіння чи нагрівання). При інфрачервоному фотографуванні в темряві та в деяких приладах нічного бачення лампи для підсвічування обладнують інфрачервоним світлофільтром, який пропускає лише інфрачервоні промені. Потужне джерело інфрачервоних променів — вугільна електрична дуга з температурою ~3900 К, проміння якої близьке до проміння абсолютно чорного тіла, а також різні газорозрядні лампи (імпульсні та безперервного світіння). Для радіаційного обігрівання приміщень застосовують спіралі з ніхромового дроту, що нагріваються до температури ~950 К. Для кращої збирання інфрачервоних променів такі нагрівачі обладнують відбивачами.
У наукових дослідженнях, наприклад, для отримання спектрів інфрачервоного поглинання в різних ділянках спектру (інфрачервоній спектроскопії) застосовують спеціальні джерела інфрачервоних променів: стрічкові вольфрамові лампи (довжина хвилі λ = 0,76…2,5 мкм), штифт Нернста, глобар (λ = 2,5…25 мкм), платинова смужка, покрита тонким шаром оксидів деяких рідкісноземельних металів (λ = 20…100 мкм), ртутні лампи високого тиску (λ = 100…1600 мкм) тощо[4].
Промені деяких оптичних квантових генераторів — лазерів — також лежить в інфрачервоній ділянці спектру. Наприклад, промені лазера на неодимовому склі має довжину хвилі 1,06 мкм; лазера на суміші неону і гелію — 1,15 мкм і 3,39 мкм; лазера на вуглекислому газі — 9,12…11,28 мкм; лазера на парах води — 118,6 мкм; напівпровідникових лазерів: на GaAs — 0,83…0,92 мкм, на InSb — 4,8…5,3 мкм; хімічного лазера на суміші Н2 і Cl2 — 3,7…3,8 мкм тощо[5].
Remove ads
Класифікація за довжиною хвилі
Узагальнити
Перспектива
В електромагнітному спектрі інфрачервоні промені обмежені з короткохвильового боку видимим світлом, а з довгохвильового боку — мікрохвильовими променями, що належать до радіочастотного діапазону. Межі діапазонів не є чітко визначеними.
Існує кілька стандартів класифікації інфрачервоних променів.
За визначенням Міжнародної комісії з освітлености за довжиною хвилі інфрачервоне проміння підрозділяють на три проміжки[6]:
Перший із цих діапазонів, IR-A називають також ближніми інфрачервоними хвилями. Він визначається вікном у спектрі поглинання води і здебільшого використовується для оптоволоконних телекомунікацій, бо електромагнітні хвилі цього діапазону слабо поглинає скло.
За стандартом ISO 20473[7], інфрачервоне проміння поділяють на такі три проміжки:
- близькі інфрачервоні промені — від 780 до 3000 нм
- середні інфрачервоні промені — від 3000 до 50 000 нм
- далекі інфрачервоні промені — від 50 до 1000 мкм
В астрономії користуються такою класифікацією[8]:
- близькі інфрачервоні промені — від 700 до 5000 нм
- середні інфрачервоні промені — від 5000 до (25-40) мкм
- далекі інфрачервоні промені — від (25-40) мкм до (200—350) мкм
Ще одна класифікація заснована на чутливості певного типу детекторів[9]:
- Близькі інфрачервоні промені — це проміжок від 700 до 1000 нм, тобто від приблизної межі людського зору до діапазону кремнієвих детекторів.
- Короткохвильові інфрачервоні промені — ділянка довжин хвиль від 1 до 3 мікрон, тобто від межі чутливості кремнієвих детекторів до вікна прозорості атмосфери. Детектори на основі InGaAs покривають область до 1,8 мікрон, всю цю область покривають менш чутливі детектори на основі солей свинцю.
- Середньохвильові інфрачервоні промені — область, що відповідає атмосферному вікну, від 3 до 5 мікрон. В цьому проміжку працюють детектори на основі антимоніду індію (InSb)[en], HgCdTe[en] і почасти на основі селеніду свинцю (PbSe)[en].
- довгохвильові інфрачервоні промені — за різними означеннями ділянка довжин хвиль від 8 до 12 мкм, або від 7 до 14 мкм. Це проміжок атмосферного вікна, в якій працюють детектори на основі HgCdTe та мікроболометри[en].
- Дуже довгохвильові інфрачервоні промені — ділянка довжин хвиль від 12 до 30 мкм, де працюють детектори на основі легованого кремнію.
Remove ads
Методи виявлення та вимірювання інфрачервоного проміння
Узагальнити
Перспектива
Робота приймачів інфрачервоного проміння ґрунтується на перетворенні енергії інфрачервоного проміння на інші види енергії, які моюна виміряти традиційними методами. Існують теплові, фотоелектричні та фотохімічні приймачі інфрачервоних променів.
У теплових приймачах поглинуті інфрачервоні промені нагрівають теплочутливий елемент, і цей нагрів тим чи тим способом реєструють. Теплові приймачі можуть працювати практично в усьому інфрачервоному проміжку.
У фотоелектричних приймачах поглинуте інфрачервоне проміння приводить до з'явлення або змінення електричного струму чи напруги. Фотоелектричні приймачі, на відміну від теплових, вибіркові, тобто чутливими лише у певній ділянці спектру.
Багато з видів фотоелектричних приймачів інфрачервоних променів, особливо для середньої і далекої ділянок спектру, працюють лише в охолодженому стані. Як приймачі інфрачервоного проміння також використовують прилади, принцип роботи яких ґрунтується на підсиленні або послабленні люмінесценції під впливом інфрачервоних променів, а також так звані антистоксові люмінофори, що безпосередньо перетворюють інфрачервоні промені на видиме світло (люмінофор із йонами Yb та Er перетворює промені неодимового лазера з довжиною хвилі λ = 1,06 мкм у видиме світло з λ = 0,7 мкм).
До фотохімічних приймачів інфрачервоного проміння належать фотоплівки, фотопластинки (інфрапластинки) та інші фотоматеріали. Застосовують їх для вимірювання енергії променів за ступенем почорніння світлочутливого шару внаслідок фотохімічної реакції. Вони чутливі до променів із довжиною хвилі до 1,3 мкм.
Remove ads
Використання
Узагальнити
Перспектива
Інфрачервона спектроскопія
Інфрачервона спектроскопія дає змогу отримати інформацію про структуру молекул і твердих тіл та типи атомних коливань у них. На інфрачервоний діапазон припадають частоти коливань атомів у молекулах і твердих тілах, а також, частково, частоти електронних переходів. В цій області лежать ширини заборонених зон вузькозонних напівпровідників, що створює можливості для використання напівпровідникових речовин як детекторів інфрачервоного світла й джерел електромагнітних хвиль у телекомунікаційних приладах. Матеріали, такі як кремній мають невелику ширину забороненої зони, а тому прозорі тільки в інфрачервоній області спектру. Відповідно, виготовлені на основі кремнію світлодіоди та лазери випромінюють тільки інфрачервоні хвилі. Інфрачервона спектроскопія особливо ефективна при дослідженні органічних речовини, оскільки частоти нормальних мод, що відповідають коливанням у радикалах на кшталт CH2 добре відомі.
Теплобачення
Одним із застосувань інфрачервоних променів є прилади нічного бачення, що реєструють теплове проміння навколишніх речей і перетворюють його на видиме зображення. У військовій техніці інфрачервоні промені використовують також для наведення ракет на літаки й гелікоптери.
Передавання даних
Інфрачервоні світлодіоди і фотодіоди використовують у пультах віддаленого керування, системах автоматики, пожежних сповіщувачах, синхронізаторах фотоспалахів охоронних системах і т. д. Вони не відволікають увагу людини в силу своєї невидимості.
Сушіння та стерилізація
Інфрачервоні випромінювачі застосовують у промисловості для сушіння лакофарбових поверхонь. Інфрачервоний метод сушіння має істотні переваги перед традиційним, конвекційним методом. У першу чергу це, безумовно, економічний ефект. Час роботи і витрачена енергія при сушінні інфрачервоними променями менше тих же показників при традиційних методах. Позитивним побічним ефектом так само є стерилізація харчових продуктів, збільшення стійкості до корозії поверхонь що покриваються фарбами. Недоліком же є істотно велика нерівномірність нагрівання, що в ряді технологічних процесів абсолютно неприйнятно. Особливістю застосування інфрачервоних променів у харчовій промисловості є можливість проникнення електромагнітної хвилі у такі капілярно-пористі продукти, як зерно, крупа, борошно тощо на глибину до 7 мм. Ця величина залежить від характеру поверхні, структури, властивостей матеріалу і частотної характеристики проміння. Електромагнітна хвиля певного частотного діапазону надає не тільки термічний, а й біологічний вплив на продукт, сприяє прискоренню біохімічних перетворень в біологічних полімерах (крохмаль, білок, ліпіди). Конвеєрні сушильні транспортери з успіхом можуть використовуватися при закладці зерна в зерносховища і в борошномельній промисловості.
Обігрівання
Крім того, останнім часом інфрачервоні промені дедалі частіше починають застосовувати для обігрівання приміщень та вулиць. Інфрачервоні обігрівачі використовуються для організації додаткового або основного опалення у приміщеннях (будинках, квартирах, офісах і т. ін.), а також для локального обігріву вуличного простору (вуличні кафе, альтанки, веранди).
Remove ads
Парниковий ефект
Поглинання і повторне випромінювання інфрачервоного світла деякими газами є причиною парникового ефекту, що значно підвищує температуру поверхні планет, зокрема Землі.
Історична довідка
Узагальнити
Перспектива
Гіпотеза щодо існування невидимих «теплових» променів є досить стародавньою. Ще римський філософ-матеріаліст Тіт Лукерцій Кар до нашої ери, у своїй поемі «Про природу речей»[10] писав:
- Так, може, й сонце, що в небі світильником сяє рожево,
- Мовби вповите вогнем — недосяжним для нашого ока
- Роєм розжеврених, та не позначених блиском пилинок,
- Що жароносну собою примножують променів силу. (I:608-611)
На такому філософському поетичному рівні уявлення про випромінювання залишалися аж до XVII ст., коли експеримент став складовою частиною науки та почалися дослідження теплового проміння. В останню чверть XVII ст. широке використання парових машин у металургії та хімічній промисловості, тісно пов'язаних з тепловими процесами, стимулювало розвиток вчення про теплоту та її перенесення.
Уперше поняття про теплові промені було введено шведським хіміком Карлом Шеєле, що присвятив властивостям «променистої теплоти» окремий розділ у «Хімічному трактаті про повітря і вогонь» (1777)[11]. У своїх спостереженнях теплового проміння Шеєле не застосовував термометричних вимірювань, тому його дослідження мали чисто якісний характер.
Через два роки після опублікування трактату Шеєле посмертно вийшла «Пірометрія»[12] німецького математика і фізика Йоганна Ламберта. У ній були описані досліди, що узгоджувалися із спостереженнями Шеєле. Ламберт вперше експериментально довів, що теплові промені поширюються прямолінійно і що їх інтенсивність зменшується обернено пропорційно до квадрату відстані від джерела.
І Шеєле, і Ламберт бачили та підкреслювали схожість між тепловими та світловими променями (прямолінійне поширення, відбиття), але про тотожність їх не могло бути й мови. Лише подальший розвиток теорії теплового випромінювання та її підтвердження експериментальними даними призвело до глибшого розуміння взаємозв'язку теплових променів і видимого світла.
У 1790 побачила світ праця «Есе про вогонь» (фр. Essai sur le feu) професора Женевської академії Марка Пікте, у якій описано знаменитий дослід із «відбиттям холоду» і доведено, що «холод — це лише недостача теплоти, а заперечення на може відбиватись»[13]. Дослід мав велике значення для з'ясування природи променистої теплоти. Це пояснення ґрунтувалось на тому, що тепло випромінюється лише у напрямі від більше нагрітого тіла до менше нагрітого.
Професор Женевської академії П'єр Прево[fr] у 1771 році висловив думку про те, що тіла, які мають однакову температуру, все ж обмінюються промінням. Він першим показав, що енергетичний рівноважний стан має динамічний характер. За Прево будь-яке нагріте тіло випускає теплові промені, подібно до того, як тіло, що світиться, випромінює світлові промені. Теплові промені за Прево — це теплові частинки, що рухаються у просторі прямолінійно з великою швидкістю. Кожне тіло постійно випромінює теплоту і отримує її завдяки такому ж випромінюванню від навколишніх тіл[14].
На початку 1800 року Вільям Гершель зауважив, що скельця різних кольорів, які використовувались як світлофільтри телескопів, по-різному поглинають світло і тепло сонячних променів. Гершель повідомив про своє відкриття на засіданні Лондонського Королівського товариства 27 березня 1800 року.
Поміщаючи чутливий термометр із зачорненою кулькою у кожну кольорову смугу сонячного спектра, Гершель виявив, що покази термометра збільшуються у міру просування від фіолетової смуги до червоної. У нього виникла думка, що зростальна теплова дія променів не повинна обриватися на червоних променях, що давали максимум теплоти. Вперше в історії науки Гершель став вимірювати температуру за межами спектра і виявив існування невидимих променів, які «мають найбільшу нагрівальну силу». Гершель назвав це явище невидимим тепловим випромінюванням.
У процесі подальших досліджень властивостей теплового випромінювання Гершель став сумніватися в правильності цього висновку і вже в третьому повідомленні (15 травня 1800) намагався довести «разючі істотні відмінності між світлом і теплотою»[15].
Відкриття Гершеля дуже вразило його сучасників, однак недостатня переконливість деяких його дослідів та сумніви самого автора послужили приводом для суперечливих тлумачень його відкриття. Найревнішим противником ідеї існування невидимого проміння, здатного робити теплові впливи, виступив англійський фізик Джон Леслі. Для перевірки результатів Гершеля Леслі самостійно провів аналогічний експеримент, розклавши сонячний спектр за допомогою призми з флінтгласу. Вимірювання температури здійснювалось спеціально сконструйованим для цього експерименту диференціальним ртутним термометром. За межами червоної смуги спектру він не виявив ніякого зростання температури. Леслі стверджував, що досліди Гершеля виконані недостатньо ретельно, мають численні неточності і взагалі є «нерозумною витівкою»[16].
Одним з перших визнав відкриття Гершеля П'єр Прево. Він вважав його вирішальним доказом аналогії між світловими і тепловими променями. «Різниця між проходженням світла і теплоти крізь тіла, — писав він, — не свідчать про відмінність або тотожність світла і теплоти».
Ідеї Гершеля були підтримані також англійським фізиком Томасом Юнгом, який вже в 1802 році висловив припущення про те, що світлові промені відрізняються від теплових лише частотою коливань. На його думку, відкриття Гершеля про менше заломлення невидимих променів у порівнянні з видимими виявилося найбільшим з часів Ісаака Ньютона.
Слідом за відкриттям Гершеля ціла плеяда дослідників почала шукати положення ділянки в спектрі, відповідного максимуму теплового ефекту. Серед них слід назвати Генрі Енглфілда[en][17], Крістіана Вюнша[en][18], Жака Етьєна Берара[fr][19] і Бадена Павелла[en][20][21]. Більшу ясність в суперечливі результати, отримані ними, вніс Томас Йоганн Зеєбек, показавши, що в призмах з флінтгласу такий максимум завжди виявляється за межами червоного краю спектра.
До 1830 року досліди Гершеля були повторені достатню кількість разів для того, щоб вважати остаточно встановленим факт існування невидимих променів, розташованих за червоною частиною видимого сонячного спектру. Ці промені згодом були названі французьким фізиком Едмоном Беккерелем[fr] інфрачервоними[22].
Надалі, завдяки дослідженням Мачедоніо Меллоні[en], Германа Кноблауха[de], Іпполіта Фізо, Леона Фуко та інших вчених до середини XIX століття було остаточно визнано єдність природи світлових та інфрачервоних променів.
Поняття «промениста теплота» протрималося в літературі протягом усього XIX ст. Навіть у першій чверті XX ст. професор О. Д. Хвольсон вів боротьбу проти цього вкоріненого у підручниках фізики терміна як застарілого, яке не відповідає новітньому розвитку цієї науки. Правда, Хвольсон відмовлявся не лише від терміна «промениста теплота», а й від прийнятого в новітній літературі терміна «теплові промені».
Remove ads
Див. також
Виноски
Джерела
Посилання
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads