الأشعة تحت الحمراء وتطبيقاتها

الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يبلغ طوله الموجي 0.74 ميكرون إلى 2 مم يسمى في الفيزياء الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة تحت الحمراء ، ويختصر «IR». يشغل هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يقع بين الإشعاع البصري المرئي (الناشئ في المنطقة الحمراء) ونطاق التردد اللاسلكي للموجة القصيرة.

على الرغم من أن الأشعة تحت الحمراء لا تدركها العين البشرية عمليًا على أنها ضوء وليس لها أي لون محدد ، إلا أنها مع ذلك تنتمي إلى الإشعاع البصري وتستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة.

تسخن موجات الأشعة تحت الحمراء ، وهي خاصية مميزة ، أسطح الأجسام ، وهذا هو سبب تسمية الأشعة تحت الحمراء أيضًا بالإشعاع الحراري. تنقسم منطقة الأشعة تحت الحمراء بأكملها إلى ثلاثة أجزاء:

• منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة - بأطوال موجية من 50 إلى 2000 ميكرون ؛

• منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء - بأطوال موجية من 2.5 إلى 50 ميكرون ؛

• بالقرب من منطقة الأشعة تحت الحمراء - من 0.74 إلى 2.5 ميكرون.

تم اكتشاف الأشعة تحت الحمراء في القرن التاسع عشر.من قبل عالم الفلك الإنجليزي ويليام هيرشل ، وفي وقت لاحق ، في عام 1802 ، بشكل مستقل من قبل العالم الإنجليزي ويليام ولاستون.

أطياف الأشعة تحت الحمراء

الأطياف الذرية التي يتم الحصول عليها على شكل أشعة تحت الحمراء تكون خطية ؛ أطياف المادة المكثفة - مستمر ؛ الأطياف الجزيئية النطاقات. الاستنتاج هو أنه بالنسبة للأشعة تحت الحمراء ، بالمقارنة مع المناطق المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ، فإن الخصائص البصرية للمواد ، مثل معامل الانعكاس ، والإرسال ، والانكسار ، مختلفة تمامًا.

العديد من المواد ، على الرغم من أنها تنقل الضوء المرئي ، تبين أنها معتمة للموجات في جزء من نطاق الأشعة تحت الحمراء.

على سبيل المثال ، طبقة من الماء بسمك عدة سنتيمترات تكون معتمة لموجات الأشعة تحت الحمراء التي يزيد طولها عن 1 ميكرون ، وفي بعض الظروف يمكن استخدامها كمرشح للحماية الحرارية. وطبقات الجرمانيوم أو السيليكون لا تنقل الضوء المرئي ، بل تنقل الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي بشكل جيد. تنتقل الأشعة تحت الحمراء البعيدة بسهولة عن طريق الورق الأسود ويمكن استخدامها كمرشح لعزلها.

تعكس معظم المعادن ، مثل الألمنيوم والذهب والفضة والنحاس ، الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الأطول ، على سبيل المثال ، عند طول موجة الأشعة تحت الحمراء البالغ 10 ميكرون ، يصل الانعكاس من المعادن إلى 98٪. تعكس المواد الصلبة والسوائل ذات الطبيعة غير المعدنية جزءًا فقط من نطاق الأشعة تحت الحمراء ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي لمادة معينة. نظرًا لخصائص تفاعل الأشعة تحت الحمراء مع الوسائط المختلفة ، فقد تم استخدامها بنجاح في العديد من الدراسات.

تشتت الأشعة تحت الحمراء

تنتشر موجات الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الشمس التي تمر عبر الغلاف الجوي للأرض جزئيًا وتضعفها جزيئات الهواء والذرات. يعمل الأكسجين والنيتروجين الموجودان في الغلاف الجوي على إضعاف الأشعة تحت الحمراء جزئيًا ، مما يؤدي إلى تشتيتها ، ولكن لا يمتصها تمامًا ، حيث أنهما يمتصان جزءًا من أشعة الطيف المرئي.

يمتص الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون الموجود في الغلاف الجوي جزئيًا الأشعة تحت الحمراء ، ويمتص الماء أكثر من غيرها لأن أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء تسقط على كامل منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء ، كما أن أطياف امتصاص ثاني أكسيد الكربون تقع فقط في المنطقة الوسطى .

تنقل طبقات الغلاف الجوي القريبة من سطح الأرض القليل جدًا من الأشعة تحت الحمراء ، حيث يعمل الدخان والغبار والماء على إضعافها ، مما يؤدي إلى تشتت الطاقة على جزيئاتها. وكلما كانت الجزيئات أصغر (دخان ، غبار ، ماء ، إلخ) تشتت أقل للأشعة تحت الحمراء وتشتت أكثر وضوحًا لطول الموجة. يستخدم هذا التأثير في التصوير بالأشعة تحت الحمراء.

مصادر الأشعة تحت الحمراء

بالنسبة لنا نحن الذين نعيش على الأرض ، تعتبر الشمس مصدرًا طبيعيًا قويًا جدًا للأشعة تحت الحمراء لأن نصف طيفها الكهرومغناطيسي يقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء. المصابيح المتوهجة ، طيف الأشعة تحت الحمراء يصل إلى 80٪ من الطاقة الإشعاعية.

أيضًا ، تشمل المصادر الاصطناعية للإشعاع تحت الأحمر: القوس الكهربائي ، ومصابيح تفريغ الغاز ، وبالطبع السخانات المنزلية لعناصر التسخين.في العلم ، للحصول على موجات الأشعة تحت الحمراء ، يتم استخدام دبوس Nernst ، وخيوط التنجستن ، بالإضافة إلى مصابيح الزئبق عالية الضغط وحتى أشعة الليزر الخاصة بالأشعة تحت الحمراء (يعطي زجاج النيوديميوم طول موجة 1.06 ميكرون ، وليزر نيون - 1.15 و 3.39 ميكرون ، ثاني أكسيد الكربون - 10.6 ميكرون).

مستقبلات الأشعة تحت الحمراء

يعتمد مبدأ تشغيل مستقبلات الموجات تحت الحمراء على تحويل طاقة الإشعاع الساقط إلى أشكال أخرى من الطاقة المتاحة للقياس والاستخدام. الأشعة تحت الحمراء الممتصة في المستقبل تسخن العنصر الحساس للحرارة ويسجل ارتفاع في درجة الحرارة.

تولد مستقبلات الأشعة تحت الحمراء الكهروضوئية جهدًا كهربائيًا وتيارًا استجابةً لجزء ضيق محدد من طيف الأشعة تحت الحمراء الذي تم تصميمها للعمل ، أي أن المستقبلات الكهروضوئية بالأشعة تحت الحمراء انتقائية. بالنسبة لموجات الأشعة تحت الحمراء في نطاق يصل إلى 1.2 ميكرومتر ، يتم إجراء التسجيل الفوتوغرافي باستخدام مستحلبات فوتوغرافية خاصة.

تستخدم الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في العلوم والتكنولوجيا ، وخاصة لحل مشاكل البحث العملي. تمت دراسة أطياف الامتصاص والانبعاث للجزيئات والمواد الصلبة التي تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

يسمى هذا النهج في البحث التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، والذي يسمح بحل المشكلات الهيكلية عن طريق إجراء التحليل الطيفي الكمي والنوعي. تحتوي منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة على انبعاثات ناتجة عن انتقالات بين الطائرات الفرعية الذرية. بفضل أطياف الأشعة تحت الحمراء ، يمكنك دراسة هياكل غلاف الإلكترون للذرات.

ناهيك عن التصوير الفوتوغرافي ، عندما يتم تصوير نفس الكائن أولاً في المرئي ثم في نطاق الأشعة تحت الحمراء سيبدو مختلفًا ، نظرًا للاختلاف في الإرسال والتشتت والانعكاس لمناطق مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي ، فبعض العناصر والتفاصيل في وضع التصوير غير المعتاد ، قد يكون مفقودًا تمامًا: في الصورة العادية ، سيكون هناك شيء مفقود ، وفي صورة الأشعة تحت الحمراء سيصبح مرئيًا.

لا يمكن الاستهانة بالاستخدامات الصناعية والاستهلاكية للأشعة تحت الحمراء. يتم استخدامه لتجفيف وتسخين مختلف المنتجات والمواد في الصناعة. في المنازل ، يتم تدفئة المباني.

تستخدم المحولات الكهروضوئية كاثودات ضوئية حساسة في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ، مما يسمح لك برؤية ما هو غير مرئي للعين المجردة.

تسمح لك أجهزة الرؤية الليلية بالرؤية في الظلام بسبب تشعيع الأجسام بالأشعة تحت الحمراء ، ومناظير الأشعة تحت الحمراء - للمراقبة الليلية ، ومشاهد الأشعة تحت الحمراء - للتصويب في الظلام الدامس ، وما إلى ذلك. بالمناسبة ، بمساعدة الأشعة تحت الحمراء ، يمكنك يمكن إعادة إنتاج معيار العداد الدقيق.

تسمح أجهزة الاستقبال الحساسة للغاية لموجات الأشعة تحت الحمراء بتحديد اتجاه الأجسام المختلفة من خلال إشعاعها الحراري ، على سبيل المثال ، تعمل أنظمة توجيه الصواريخ ، والتي تولد بالإضافة إلى ذلك إشعاع الأشعة تحت الحمراء الخاص بها.

تسمح محددات المدى والمحددات القائمة على الأشعة تحت الحمراء بمراقبة بعض الأشياء في الظلام وقياس المسافة إليها بدقة عالية. تُستخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء في البحث العلمي ، واستكشاف الغلاف الجوي ، والاتصالات الفضائية ، وغير ذلك.