รังสีอินฟราเรดและการประยุกต์ใช้

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 0.74 ไมครอนถึง 2 มม. เรียกว่ารังสีอินฟราเรดทางฟิสิกส์หรือรังสีอินฟราเรดโดยย่อ «IR» มันครอบครองส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างการแผ่รังสีแสงที่มองเห็นได้ (กำเนิดในพื้นที่สีแดง) และช่วงความถี่วิทยุคลื่นสั้น

แม้ว่ารังสีอินฟราเรดจะไม่รับรู้โดยสายตามนุษย์ว่าเป็นแสงและไม่มีสีเฉพาะใด ๆ แต่ก็ยังเป็นของรังสีออปติคอลและใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่

คลื่นอินฟราเรดซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะทำให้พื้นผิวของร่างกายร้อนขึ้น ซึ่งเป็นสาเหตุที่รังสีอินฟราเรดมักถูกเรียกว่ารังสีความร้อน พื้นที่อินฟราเรดทั้งหมดแบ่งออกเป็นสามส่วนตามเงื่อนไข:

• บริเวณอินฟราเรดไกล — ที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 50 ถึง 2,000 ไมครอน

• ภูมิภาค IR กลาง — ที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.5 ถึง 50 ไมครอน

• ใกล้บริเวณอินฟราเรด — ตั้งแต่ 0.74 ถึง 2.5 ไมครอน

รังสีอินฟราเรดถูกค้นพบในปี 1800โดยนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ วิลเลียม เฮอร์เชล และต่อมาในปี พ.ศ. 2345 วิลเลียม โวลลาสตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษเป็นอิสระ

IR สเปกตรัม

สเปกตรัมของอะตอมที่ได้รับในรูปของรังสีอินฟราเรดมีลักษณะเป็นเส้นตรง สเปกตรัมของสสารควบแน่น — ต่อเนื่อง; สเปกตรัมของโมเลกุลมีแถบสี สรุปได้ว่าสำหรับรังสีอินฟราเรด เมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณที่มองเห็นและรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสมบัติทางแสงของสาร เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน การส่งผ่าน การหักเห จะแตกต่างกันมาก

สสารจำนวนมากแม้ว่าจะส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ แต่กลับกลายเป็นว่าทึบแสงเป็นคลื่นในช่วงอินฟราเรดบางส่วน

ตัวอย่างเช่น ชั้นของน้ำที่มีความหนาหลายเซนติเมตรเป็นชั้นทึบแสงไปจนถึงคลื่นอินฟราเรดที่ยาวกว่า 1 ไมครอน และภายใต้เงื่อนไขบางอย่างสามารถใช้เป็นตัวกรองป้องกันความร้อนได้ และชั้นของเจอร์เมเนียมหรือซิลิกอนไม่ส่งผ่านแสงที่มองเห็น แต่ส่งรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นหนึ่งได้ดี รังสีอินฟราเรดไกลสามารถส่งผ่านกระดาษสีดำได้อย่างง่ายดายและสามารถทำหน้าที่เป็นตัวกรองสำหรับการแยกได้

โลหะส่วนใหญ่ เช่น อะลูมิเนียม ทอง เงิน และทองแดง สะท้อนรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า เช่น ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรด 10 ไมครอน แสงสะท้อนจากโลหะจะสูงถึง 98% ของแข็งและของเหลวที่ไม่ใช่โลหะสะท้อนเพียงส่วนหนึ่งของช่วง IR ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของสารเฉพาะ เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ของการทำงานร่วมกันของรังสีอินฟราเรดกับสื่อต่างๆ จึงถูกนำมาใช้ในการศึกษาจำนวนมากได้สำเร็จ

การกระเจิงของอินฟราเรด

คลื่นอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ที่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลกบางส่วนจะกระจัดกระจายและถูกลดทอนด้วยโมเลกุลของอากาศและอะตอม ออกซิเจนและไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศทำให้รังสีอินฟราเรดอ่อนลงบางส่วน กระเจิง แต่ไม่สามารถดูดซับได้ทั้งหมด เนื่องจากจะดูดซับส่วนหนึ่งของรังสีของสเปกตรัมที่มองเห็นได้

น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และโอโซนที่อยู่ในชั้นบรรยากาศจะดูดซับรังสีอินฟราเรดไว้บางส่วน และน้ำจะดูดซับรังสีอินฟราเรดได้มากที่สุด เนื่องจากสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดตกกระจายไปทั่วบริเวณทั้งหมดของสเปกตรัมอินฟราเรด และสเปกตรัมการดูดกลืนของคาร์บอนไดออกไซด์จะตกอยู่ในพื้นที่ตรงกลางเท่านั้น .

ชั้นบรรยากาศใกล้พื้นผิวโลกแผ่รังสีอินฟราเรดออกมาน้อยมาก เมื่อควัน ฝุ่น และน้ำยิ่งลดน้อยลง กระจายพลังงานไปยังอนุภาค ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็ก (ควัน ฝุ่น น้ำ ฯลฯ) การกระเจิงของ IR น้อยลงและการกระเจิงของความยาวคลื่นที่มองเห็นได้มากขึ้น เอฟเฟ็กต์นี้ใช้ในการถ่ายภาพอินฟราเรด

แหล่งที่มาของรังสีอินฟราเรด

สำหรับเราที่อาศัยอยู่บนโลก ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งรังสีอินฟราเรดตามธรรมชาติที่ทรงพลังมาก เนื่องจากสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าครึ่งหนึ่งอยู่ในช่วงอินฟราเรด หลอดไส้ สเปกตรัมอินฟราเรดสูงถึง 80% ของพลังงานรังสี

นอกจากนี้แหล่งที่มาของรังสีอินฟราเรดประดิษฐ์ ได้แก่ : อาร์คไฟฟ้า, หลอดปล่อยก๊าซและแน่นอนเครื่องทำความร้อนในครัวเรือนขององค์ประกอบความร้อนในทางวิทยาศาสตร์ เพื่อให้ได้คลื่นอินฟราเรด พิน Nernst ไส้หลอดทังสเตน ตลอดจนหลอดปรอทความดันสูงและแม้แต่เลเซอร์ IR พิเศษ (แก้วนีโอไดเมียมให้ความยาวคลื่น 1.06 ไมครอน และเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน - 1.15 และ 3.39 ไมครอน, คาร์บอนไดออกไซด์ — 10.6 ไมครอน)

ตัวรับสัญญาณอินฟราเรด

หลักการทำงานของเครื่องรับคลื่นอินฟราเรดขึ้นอยู่กับการแปลงพลังงานของรังสีที่ตกกระทบเป็นพลังงานรูปแบบอื่นที่สามารถวัดและใช้งานได้ รังสีอินฟราเรดที่ดูดซับในเครื่องรับจะทำให้องค์ประกอบที่ไวต่อความร้อนร้อนขึ้นและบันทึกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

ตัวรับโฟโตอิเล็กทริก IR สร้างแรงดันและกระแสไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อส่วนแคบๆ เฉพาะของสเปกตรัม IR ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้ใช้งาน นั่นคือ ตัวรับโฟโตอิเล็กทริก IR เป็นแบบเลือก สำหรับคลื่น IR ในช่วงสูงถึง 1.2 μm การลงทะเบียนการถ่ายภาพจะดำเนินการโดยใช้อิมัลชันการถ่ายภาพพิเศษ

รังสีอินฟราเรดถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแก้ปัญหาการวิจัยเชิงปฏิบัติ มีการศึกษาการดูดกลืนและการปล่อยสเปกตรัมของโมเลกุลและของแข็งที่เพิ่งตกลงไปในบริเวณอินฟราเรด

วิธีการวิจัยนี้เรียกว่าอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี ซึ่งช่วยแก้ปัญหาโครงสร้างโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ บริเวณอินฟราเรดไกลมีการปลดปล่อยที่เกิดจากการเปลี่ยนระหว่างระนาบย่อยของอะตอม ด้วย IR spectra คุณสามารถศึกษาโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมได้

และนี่ไม่ต้องพูดถึงการถ่ายภาพ เมื่อวัตถุเดียวกันถูกถ่ายภาพก่อนในช่วงที่มองเห็นได้และจากนั้นในช่วงอินฟราเรดจะดูแตกต่างกัน เนื่องจากความแตกต่างในการส่ง การกระเจิง และการสะท้อนสำหรับพื้นที่ต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า องค์ประกอบและรายละเอียดบางอย่าง ในโหมดถ่ายภาพที่ผิดปกติอาจหายไปโดยสิ้นเชิง: ในภาพถ่ายธรรมดา บางสิ่งจะหายไป และในภาพถ่ายอินฟราเรดก็จะมองเห็นได้

รังสีอินฟราเรดที่ใช้ในอุตสาหกรรมและผู้บริโภคเป็นสิ่งที่ประเมินค่าไม่ได้ต่ำเกินไป ใช้สำหรับอบแห้งและให้ความร้อนกับผลิตภัณฑ์และวัสดุต่างๆ ในอุตสาหกรรม ในบ้านสถานที่จะร้อน

ทรานสดิวเซอร์แบบอิเล็กโทรออปติกใช้โฟโตแคโทดที่มีความไวในย่านอินฟราเรดของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ช่วยให้คุณเห็นสิ่งที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า

อุปกรณ์มองเห็นกลางคืนช่วยให้คุณมองเห็นในที่มืดเนื่องจากการฉายรังสีของวัตถุด้วยรังสีอินฟราเรด, กล้องส่องทางไกลอินฟราเรด - สำหรับการสังเกตตอนกลางคืน, การมองเห็นด้วยอินฟราเรด - สำหรับการเล็งในที่มืดสนิท ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ด้วยความช่วยเหลือของรังสีอินฟราเรดคุณ สามารถสร้างมาตรฐานมิเตอร์ที่แน่นอนได้

ตัวรับคลื่น IR ที่มีความไวสูงช่วยให้สามารถกำหนดทิศทางของวัตถุต่างๆ โดยการแผ่รังสีความร้อนได้ ตัวอย่างเช่น ระบบนำทางขีปนาวุธทำงาน ซึ่งสร้างรังสี IR เองเพิ่มเติม

เครื่องวัดระยะและตัวระบุตำแหน่งที่ใช้รังสีอินฟราเรดช่วยให้สามารถสังเกตวัตถุบางอย่างในที่มืดและวัดระยะห่างจากวัตถุเหล่านั้นด้วยความแม่นยำสูง เลเซอร์ IR ใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ สำรวจชั้นบรรยากาศ สื่อสารอวกาศ และอื่นๆ