Radiazione infrarossa e sue applicazioni

La radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda da 0,74 micron a 2 mm è chiamata in fisica radiazione infrarossa o raggi infrarossi, abbreviata «IR». Occupa quella parte dello spettro elettromagnetico che si trova tra la radiazione ottica visibile (che ha origine nella regione rossa) e la gamma di radiofrequenze a onde corte.

Sebbene la radiazione infrarossa non sia praticamente percepita dall'occhio umano come luce e non abbia alcun colore specifico, tuttavia appartiene alla radiazione ottica ed è ampiamente utilizzata nella tecnologia moderna.

Le onde a infrarossi, che sono caratteristiche, riscaldano le superfici dei corpi, motivo per cui la radiazione infrarossa viene spesso chiamata anche radiazione termica. L'intera regione dell'infrarosso è suddivisa condizionatamente in tre parti:

• regione del lontano infrarosso - con lunghezze d'onda da 50 a 2000 micron;

• regione del medio IR - con lunghezze d'onda da 2,5 a 50 micron;

• regione del vicino infrarosso - da 0,74 a 2,5 micron.

La radiazione infrarossa è stata scoperta nel 1800.dall'astronomo inglese William Herschel, e successivamente, nel 1802, indipendentemente dallo scienziato inglese William Wollaston.

Spettri IR

Gli spettri atomici ottenuti sotto forma di raggi infrarossi sono lineari; spettri di materia condensata - continui; gli spettri molecolari sono a bande. La conclusione è che per i raggi infrarossi, rispetto alle regioni visibile e ultravioletta dello spettro elettromagnetico, le proprietà ottiche delle sostanze, come il coefficiente di riflessione, trasmissione, rifrazione, sono molto diverse.

Molte delle sostanze, sebbene trasmettano luce visibile, risultano opache alle onde in una parte della gamma dell'infrarosso.

Ad esempio, uno strato d'acqua spesso diversi centimetri è opaco alle onde infrarosse superiori a 1 micron e in alcune condizioni può essere utilizzato come filtro di protezione termica. E gli strati di germanio o silicio non trasmettono luce visibile, ma trasmettono bene i raggi infrarossi di una certa lunghezza d'onda. I raggi infrarossi lontani sono facilmente trasmessi dalla carta nera e possono fungere da filtro per il loro isolamento.

La maggior parte dei metalli, come alluminio, oro, argento e rame, riflettono la radiazione infrarossa con una lunghezza d'onda maggiore, ad esempio, a una lunghezza d'onda infrarossa di 10 micron, la riflessione dai metalli raggiunge il 98%. Solidi e liquidi di natura non metallica riflettono solo una parte della gamma IR, a seconda della composizione chimica di una particolare sostanza. A causa di queste caratteristiche dell'interazione dei raggi infrarossi con vari media, vengono utilizzati con successo in molti studi.

Diffusione infrarossa

Le onde infrarosse emesse dal Sole che attraversano l'atmosfera terrestre sono parzialmente diffuse e attenuate dalle molecole e dagli atomi dell'aria. L'ossigeno e l'azoto nell'atmosfera indeboliscono parzialmente i raggi infrarossi, disperdendoli, ma non li assorbono completamente, poiché assorbono parte dei raggi dello spettro visibile.

L'acqua, l'anidride carbonica e l'ozono contenuti nell'atmosfera assorbono parzialmente i raggi infrarossi e l'acqua li assorbe di più perché i suoi spettri di assorbimento infrarosso cadono sull'intera regione dello spettro infrarosso e gli spettri di assorbimento dell'anidride carbonica cadono solo nella regione centrale .

Gli strati dell'atmosfera vicini alla superficie terrestre trasmettono molto poco la radiazione infrarossa, in quanto fumo, polvere e acqua la attenuano ulteriormente, disperdendo l'energia sulle loro particelle.Più piccole sono le particelle (fumo, polvere, acqua, ecc.), meno dispersione IR e dispersione della lunghezza d'onda più visibile. Questo effetto viene utilizzato nella fotografia a infrarossi.

Sorgenti di radiazione infrarossa

Per noi che viviamo sulla Terra, il Sole è una fonte naturale molto potente di radiazione infrarossa perché metà del suo spettro elettromagnetico si trova nella gamma dell'infrarosso. Lampade a incandescenza, lo spettro infrarosso è fino all'80% dell'energia della radiazione.

Inoltre, le fonti artificiali di radiazione infrarossa includono: arco elettrico, lampade a scarica di gas e, naturalmente, riscaldatori domestici di elementi riscaldanti.Nella scienza, per ottenere onde infrarosse, vengono utilizzati il ​​​​perno di Nernst, i filamenti di tungsteno, nonché lampade al mercurio ad alta pressione e persino laser IR speciali (il vetro al neodimio fornisce una lunghezza d'onda di 1,06 micron e un laser elio-neon - 1,15 e 3,39 micron, anidride carbonica - 10,6 micron).

Ricevitori IR

Il principio di funzionamento dei ricevitori di onde infrarosse si basa sulla conversione dell'energia della radiazione incidente in altre forme di energia disponibili per la misurazione e l'utilizzo. La radiazione infrarossa assorbita dal ricevitore riscalda l'elemento termosensibile e viene registrato un aumento di temperatura.

I ricevitori IR fotoelettrici generano tensione e corrente elettrica in risposta a una specifica parte ristretta dello spettro IR per il quale sono progettati per funzionare, ovvero i ricevitori fotoelettrici IR sono selettivi. Per le onde IR nell'intervallo fino a 1,2 μm, la registrazione fotografica viene eseguita utilizzando speciali emulsioni fotografiche.

La radiazione infrarossa è ampiamente utilizzata nella scienza e nella tecnologia, in particolare per risolvere problemi di ricerca pratica. Vengono studiati gli spettri di assorbimento ed emissione di molecole e solidi che cadono appena nella regione dell'infrarosso.

Questo approccio alla ricerca è chiamato spettroscopia infrarossa, che consente di risolvere problemi strutturali eseguendo analisi spettrali quantitative e qualitative. La regione del lontano infrarosso contiene emissioni causate dalle transizioni tra i sottopiani atomici. Grazie agli spettri IR, puoi studiare le strutture dei gusci elettronici degli atomi.

E questo per non parlare della fotografia, quando lo stesso oggetto fotografato prima nel visibile e poi nell'infrarosso avrà un aspetto diverso, perché a causa della differenza di trasmissione, diffusione e riflessione per diverse aree dello spettro elettromagnetico, alcuni elementi e dettagli in una modalità di scatto fotografica insolita potrebbe mancare completamente: in una foto ordinaria mancherà qualcosa e in una foto a infrarossi diventerà visibile.

Gli usi industriali e di consumo della radiazione infrarossa non possono essere sottovalutati. Viene utilizzato per l'essiccazione e il riscaldamento di vari prodotti e materiali nell'industria. Nelle case, i locali sono riscaldati.

I trasduttori elettro-ottici utilizzano fotocatodi sensibili nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, consentendo di vedere ciò che è invisibile ad occhio nudo.

I dispositivi per la visione notturna ti consentono di vedere al buio a causa dell'irradiazione di oggetti con raggi infrarossi, binocoli a infrarossi - per l'osservazione notturna, mirini a infrarossi - per mirare nella completa oscurità, ecc. A proposito, con l'aiuto della radiazione infrarossa, tu può riprodurre l'esatto metro standard.

I ricevitori altamente sensibili delle onde IR consentono di determinare la direzione di vari oggetti in base alla loro radiazione termica, ad esempio i sistemi di guida missilistica funzionano, che generano inoltre la propria radiazione IR.

I telemetri e i localizzatori basati sui raggi infrarossi consentono di osservare alcuni oggetti nell'oscurità e di misurarne la distanza con elevata precisione. I laser IR sono utilizzati nella ricerca scientifica, per sondare l'atmosfera, per le comunicazioni spaziali e altro ancora.