Promieniowanie podczerwone (IR) lub światło podczerwone jest rodzajem energii promienistej, która jest niewidoczna dla ludzkich oczu, ale którą możemy poczuć jak ciepło. Wszystkie obiekty we wszechświecie emitują pewien poziom promieniowania IR, ale dwa najbardziej oczywiste źródła to słońce i ogień.
IR jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, stanowiącym ciąg częstotliwości wytwarzanych, gdy atomy absorbują, a następnie uwalniają energię. Od najwyższej do najniższej częstotliwości promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne, promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Wszystkie te rodzaje promieniowania tworzą widmo elektromagnetyczne.
Według NASA brytyjski astronom William Herschel odkrył światło podczerwone w 1800 roku. W eksperymencie mierzącym różnicę temperatur między kolorami w widmie widzialnym umieścił termometry na ścieżce światła w obrębie każdego koloru widma widzialnego. Zauważył wzrost temperatury z niebieskiej na czerwoną i znalazł jeszcze cieplejszy pomiar temperatury tuż poza czerwonym końcem widzialnego spektrum.
W zakresie widma elektromagnetycznego fale podczerwone występują z częstotliwościami wyższymi niż te mikrofalowe i nieco poniżej częstotliwości czerwonego światła widzialnego, stąd nazwa „podczerwień”. Fale promieniowania podczerwonego są dłuższe niż światła widzialnego, zgodnie z California Institute of Technology (Caltech). Częstotliwości IR mieszczą się w przedziale od około 3 gigaherców (GHz) do około 400 teraherców (THz), a długości fal szacuje się w przedziale od 1000 mikrometrów (µm) do 760 nanometrów (2,9921 cali), chociaż według NASA wartości te nie są ostateczne.
Podobnie jak widmo światła widzialnego, które waha się od fioletu (najkrótsza długość fali światła widzialnego) do czerwonego (najdłuższa długość fali), promieniowanie podczerwone ma swój własny zakres długości fal. Krótsze fale „bliskiej podczerwieni”, które są bliżej światła widzialnego w widmie elektromagnetycznym, nie emitują wykrywalnego ciepła i są uwalniane z pilota telewizora w celu zmiany kanałów. Według NASA dłuższe fale dalekiej podczerwieni, które są bliżej sekcji mikrofalowej widma elektromagnetycznego, mogą być odczuwane jako intensywne ciepło, takie jak ciepło słoneczne lub ogień.
Promieniowanie IR jest jednym z trzech sposobów przenoszenia ciepła z jednego miejsca do drugiego, pozostałe dwa to konwekcja i przewodzenie. Wszystko o temperaturze powyżej około 5 stopni Kelvina (minus 450 stopni Fahrenheita lub minus 268 stopni Celsjusza) emituje promieniowanie IR. Według University of Tennessee słońce emituje połowę swojej całkowitej energii w postaci IR, a znaczna część światła widzialnego gwiazdy jest absorbowana i ponownie emitowana jako IR.
Do użytku domowego
Urządzenia gospodarstwa domowego, takie jak lampy cieplne i tostery, wykorzystują promieniowanie podczerwone do przekazywania ciepła, podobnie jak grzejniki przemysłowe, takie jak te stosowane do suszenia i utwardzania materiałów. Według Agencji Ochrony Środowiska żarówki żarowe przekształcają tylko około 10 procent ich energii elektrycznej w energię światła widzialnego, podczas gdy pozostałe 90 procent jest przekształcane w promieniowanie podczerwone.
Lasery na podczerwień mogą być używane do komunikacji punkt-punkt na odległości kilkuset metrów lub jardów. Piloty do telewizora opierające się na promieniowaniu podczerwonym wystrzeliwują impulsy energii IR z diody elektroluminescencyjnej (LED) do odbiornika IR w telewizorze, zgodnie z How Stuff. Odbiornik przekształca impulsy świetlne na sygnały elektryczne, które instruują mikroprocesor, aby wykonał zaprogramowane polecenie.
Wykrywanie w podczerwieni
Jednym z najbardziej przydatnych zastosowań widma IR jest wykrywanie i wykrywanie. Wszystkie obiekty na Ziemi emitują promieniowanie IR w postaci ciepła. Można to wykryć za pomocą czujników elektronicznych, takich jak te stosowane w goglach noktowizyjnych i kamerach na podczerwień.
Prostym przykładem takiego czujnika jest bolometr, który składa się z teleskopu z rezystorem wrażliwym na temperaturę lub termistorem w jego punkcie centralnym, zgodnie z University of California, Berkeley (UCB). Jeśli ciepłe ciało pojawi się w polu widzenia tego instrumentu, ciepło powoduje wykrywalną zmianę napięcia na termistorze.
Kamery noktowizyjne wykorzystują bardziej wyrafinowaną wersję bolometru. Kamery te zwykle zawierają układy obrazujące sprzężone z ładunkiem (CCD) wrażliwe na światło podczerwone. Obraz utworzony przez CCD można następnie odtworzyć w świetle widzialnym. Systemy te mogą być wystarczająco małe, aby można je było stosować w urządzeniach przenośnych lub noszonych goglach noktowizyjnych. Kamery mogą być również używane do celowników z dodatkiem lub bez dodatku lasera IR do celowania.
Spektroskopia w podczerwieni mierzy emisje IR z materiałów o określonych długościach fal. Widmo IR substancji pokaże charakterystyczne zapady i piki, gdy fotony (cząstki światła) są absorbowane lub emitowane przez elektrony w cząsteczkach, gdy elektrony przechodzą między orbitami lub poziomami energii. Te informacje spektroskopowe można następnie wykorzystać do identyfikacji substancji i monitorowania reakcji chemicznych.
Według Roberta Mayanovica, profesora fizyki na Uniwersytecie Stanowym Missouri, spektroskopia w podczerwieni, taka jak spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), jest bardzo przydatna w wielu zastosowaniach naukowych. Obejmują one badania układów molekularnych i materiałów 2D, takich jak grafen.
Astronomia w podczerwieni
Caltech opisuje astronomię w podczerwieni jako „wykrywanie i badanie promieniowania podczerwonego (energii cieplnej) emitowanej przez obiekty we wszechświecie”. Postępy w systemach obrazowania IR CCD pozwoliły na szczegółową obserwację rozkładu źródeł IR w przestrzeni kosmicznej, ujawniając złożone struktury w mgławicach, galaktykach i wielkoskalową strukturę wszechświata.
Jedną z zalet obserwacji w podczerwieni jest to, że może wykrywać obiekty, które są zbyt chłodne, aby emitować światło widzialne. Doprowadziło to do odkrycia wcześniej nieznanych obiektów, w tym komet, asteroid i delikatnych chmur pyłu międzygwiezdnego, które wydają się dominować w całej galaktyce.
Astronomia w podczerwieni jest szczególnie przydatna do obserwowania zimnych cząsteczek gazu i do określania składu chemicznego cząstek pyłu w ośrodku międzygwiezdnym, powiedział Robert Patterson, profesor astronomii na Missouri State University. Obserwacje te są przeprowadzane przy użyciu specjalistycznych detektorów CCD wrażliwych na fotony IR.
Kolejną zaletą promieniowania podczerwonego jest to, że jego dłuższa długość fali oznacza, że nie rozprasza tak dużo jak światło widzialne, według NASA. Podczas gdy światło widzialne może być pochłaniane lub odbijane przez cząsteczki gazu i pyłu, dłuższe fale IR po prostu omijają te małe przeszkody. Ze względu na tę właściwość podczerwień można wykorzystać do obserwacji obiektów, których światło jest zasłonięte gazem i pyłem. Do takich obiektów należą nowo formujące się gwiazdy osadzone w mgławicach lub centrum galaktyki ziemskiej.
Ten artykuł został zaktualizowany 27 lutego 2019 r. Przez autora Live Science, Traci Pedersen.
