Infraroodstraling en haar toepassingen

Elektromagnetische straling met een golflengte van 0,74 micron tot 2 mm wordt in de natuurkunde infraroodstraling of infraroodstraling genoemd, afgekort «IR». Het beslaat dat deel van het elektromagnetische spectrum dat ligt tussen zichtbare optische straling (afkomstig uit het rode gebied) en het kortegolf radiofrequentiebereik.

Hoewel infraroodstraling door het menselijk oog praktisch niet als licht wordt waargenomen en geen specifieke kleur heeft, behoort het toch tot de optische straling en wordt het veel gebruikt in de moderne technologie.

Infraroodgolven, die karakteristiek zijn, verwarmen de oppervlakken van lichamen, daarom wordt infraroodstraling ook vaak warmtestraling genoemd. Het gehele infraroodgebied is voorwaardelijk verdeeld in drie delen:

• ver-infraroodgebied - met golflengten van 50 tot 2000 micron;

• mid-IR-gebied - met golflengten van 2,5 tot 50 micron;

• nabij-infraroodgebied - van 0,74 tot 2,5 micron.

Infraroodstraling werd ontdekt in de jaren 1800.door de Engelse astronoom William Herschel, en later, in 1802, onafhankelijk door de Engelse wetenschapper William Wollaston.

IR-spectra

Atomaire spectra verkregen in de vorm van infraroodstralen zijn lineair; spectra van gecondenseerde materie — continu; moleculaire spectra zijn gestreept. De conclusie is dat voor infraroodstralen, vergeleken met de zichtbare en ultraviolette gebieden van het elektromagnetische spectrum, de optische eigenschappen van stoffen, zoals de reflectiecoëfficiënt, transmissie, breking, heel anders zijn.

Veel van de stoffen, hoewel ze zichtbaar licht doorlaten, blijken ondoorzichtig te zijn voor golven in een deel van het infrarode bereik.

Een waterlaag van enkele centimeters dik is bijvoorbeeld ondoorzichtig voor infraroodgolven langer dan 1 micron en kan onder bepaalde omstandigheden worden gebruikt als thermisch beschermingsfilter. En de lagen germanium of silicium laten geen zichtbaar licht door, maar infraroodstralen van een bepaalde golflengte goed. Ver-infraroodstralen worden gemakkelijk door zwart papier verzonden en kunnen dienen als filter voor hun isolatie.

De meeste metalen, zoals aluminium, goud, zilver en koper, reflecteren infraroodstraling met een langere golflengte, bijvoorbeeld bij een infraroodgolflengte van 10 micron bereikt de reflectie van metalen 98%. Vaste stoffen en vloeistoffen van niet-metallische aard weerspiegelen slechts een deel van het IR-bereik, afhankelijk van de chemische samenstelling van een bepaalde stof. Vanwege deze kenmerken van de interactie van infraroodstralen met verschillende media, worden ze met succes in veel onderzoeken gebruikt.

Infrarood verstrooiing

Infraroodgolven die door de zon worden uitgezonden en door de atmosfeer van de aarde gaan, worden gedeeltelijk verstrooid en verzwakt door luchtmoleculen en atomen. Zuurstof en stikstof in de atmosfeer verzwakken de infraroodstralen gedeeltelijk, verstrooien ze, maar absorberen ze niet volledig, omdat ze een deel van de stralen van het zichtbare spectrum absorberen.

Water, koolstofdioxide en ozon in de atmosfeer absorberen infraroodstralen gedeeltelijk en water absorbeert ze het meest omdat de infraroodabsorptiespectra over het hele gebied van het infraroodspectrum vallen en de absorptiespectra van kooldioxide alleen in het middelste gebied vallen .

De lagen van de atmosfeer nabij het aardoppervlak laten zeer weinig infraroodstraling door, aangezien rook, stof en water deze verder verzwakken en de energie op hun deeltjes verstrooien. Hoe kleiner de deeltjes (rook, stof, water, enz.), hoe kleiner de deeltjes minder IR-verstrooiing en meer zichtbare golflengteverstrooiing. Dit effect wordt gebruikt bij infraroodfotografie.

Bronnen van infraroodstraling

Voor ons die op aarde leven, is de zon een zeer krachtige natuurlijke bron van infrarode straling omdat de helft van het elektromagnetische spectrum zich in het infrarode bereik bevindt. Gloeilampen, het infraroodspectrum is tot 80% van de stralingsenergie.

Kunstmatige bronnen van infraroodstraling zijn ook: elektrische boog, gasontladingslampen en natuurlijk huishoudelijke verwarmingselementen of verwarmingselementen.In de wetenschap worden voor het verkrijgen van infraroodgolven de Nernst-pin, wolfraamfilamenten, evenals hogedrukkwiklampen en zelfs speciale IR-lasers gebruikt (neodymiumglas geeft een golflengte van 1,06 micron en een helium-neonlaser - 1,15 en 3,39 micron, koolstofdioxide - 10,6 micron).

IR-ontvangers

Het werkingsprincipe van infraroodgolfontvangers is gebaseerd op de omzetting van de energie van de invallende straling in andere vormen van energie die beschikbaar is voor meting en gebruik. De in de ontvanger geabsorbeerde infraroodstraling verwarmt het warmtegevoelige element en een temperatuurstijging wordt geregistreerd.

Foto-elektrische IR-ontvangers genereren elektrische spanning en stroom als reactie op een specifiek smal deel van het IR-spectrum waarvoor ze zijn ontworpen om te werken, dat wil zeggen dat IR-foto-elektrische ontvangers selectief zijn. Voor IR-golven in het bereik tot 1,2 μm wordt fotografische registratie uitgevoerd met behulp van speciale fotografische emulsies.

Infraroodstraling wordt veel gebruikt in wetenschap en technologie, vooral voor het oplossen van praktische onderzoeksproblemen. De absorptie- en emissiespectra van moleculen en vaste stoffen die net in het infrarode gebied vallen, worden bestudeerd.

Deze benadering van onderzoek wordt infraroodspectroscopie genoemd, waarmee structurele problemen kunnen worden opgelost door kwantitatieve en kwalitatieve spectraalanalyse uit te voeren. Het verre infraroodgebied bevat emissies die worden veroorzaakt door overgangen tussen atomaire subvlakken. Dankzij IR-spectra kun je de structuur van de elektronenschillen van atomen bestuderen.

En dan hebben we het nog niet eens over fotografie, wanneer hetzelfde object dat eerst in het zichtbare en daarna in het infrarode bereik wordt gefotografeerd, er anders uit zal zien, omdat door het verschil in transmissie, verstrooiing en reflectie voor verschillende gebieden van het elektromagnetische spectrum, sommige elementen en details in een ongebruikelijke foto-opnamemodus kan het volledig ontbreken: in een gewone foto ontbreekt er iets en in een infraroodfoto wordt het zichtbaar.

Het industriële en consumentengebruik van infraroodstraling kan niet worden onderschat. Het wordt gebruikt voor het drogen en verwarmen van diverse producten en materialen in de industrie. In huizen wordt het pand verwarmd.

Elektro-optische transducers gebruiken fotokathodes die gevoelig zijn in het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum, waardoor u kunt zien wat onzichtbaar is voor het blote oog.

Nachtkijkers stellen u in staat om in het donker te zien door de bestraling van objecten met infraroodstralen, infraroodverrekijkers - voor nachtobservatie, infraroodvizieren - om te richten in volledige duisternis, enz. Overigens kunt u met behulp van infraroodstraling kan de exacte meterstandaard reproduceren.

Zeer gevoelige ontvangers van IR-golven maken het mogelijk de richting van verschillende objecten te bepalen door hun thermische straling, bijvoorbeeld raketgeleidingssystemen, die bovendien hun eigen IR-straling genereren.

Afstandsmeters en plaatsbepalers op basis van infraroodstralen maken het mogelijk om sommige objecten in het donker waar te nemen en de afstand tot deze objecten met hoge nauwkeurigheid te meten. IR-lasers worden gebruikt in wetenschappelijk onderzoek, voor het onderzoeken van de atmosfeer, voor ruimtecommunicatie en meer.