Bức xạ hồng ngoại và ứng dụng của nó

Bức xạ điện từ có bước sóng từ 0,74 micron đến 2 mm trong vật lý được gọi là bức xạ hồng ngoại hay tia hồng ngoại, viết tắt là «IR». Nó chiếm một phần của phổ điện từ nằm giữa bức xạ quang nhìn thấy được (bắt nguồn từ vùng màu đỏ) và dải tần số vô tuyến sóng ngắn.

Mặc dù bức xạ hồng ngoại thực tế không được mắt người cảm nhận dưới dạng ánh sáng và không có bất kỳ màu cụ thể nào, tuy nhiên nó thuộc về bức xạ quang học và được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại.

Sóng hồng ngoại, đặc trưng, ​​​​làm nóng bề mặt của các vật thể, đó là lý do tại sao bức xạ hồng ngoại còn thường được gọi là bức xạ nhiệt. Toàn bộ vùng hồng ngoại được chia thành ba phần một cách có điều kiện:

• vùng hồng ngoại xa — với bước sóng từ 50 đến 2000 micron;

• vùng giữa IR — với bước sóng từ 2,5 đến 50 micron;

• vùng hồng ngoại gần — từ 0,74 đến 2,5 micron.

Bức xạ hồng ngoại được phát hiện vào những năm 1800.bởi nhà thiên văn học người Anh William Herschel, và sau đó, vào năm 1802, bởi nhà khoa học người Anh William Wollaston một cách độc lập.

quang phổ hồng ngoại

Phổ nguyên tử thu được dưới dạng tia hồng ngoại là tuyến tính; quang phổ vật chất ngưng tụ - liên tục; quang phổ phân tử được dải. Kết luận là đối với tia hồng ngoại, so với vùng khả kiến ​​và tử ngoại của phổ điện từ, tính chất quang học của các chất như hệ số phản xạ, hệ số truyền qua, khúc xạ là rất khác nhau.

Nhiều chất, mặc dù chúng truyền ánh sáng khả kiến, nhưng hóa ra lại mờ đục đối với các sóng trong một phần của dải hồng ngoại.

Ví dụ, một lớp nước dày vài cm không trong suốt đối với sóng hồng ngoại dài hơn 1 micron và trong một số điều kiện có thể được sử dụng làm bộ lọc bảo vệ nhiệt. Và các lớp germanium hoặc silicon không truyền ánh sáng khả kiến, nhưng truyền tốt tia hồng ngoại có bước sóng nhất định. Các tia hồng ngoại xa dễ dàng truyền qua giấy đen và có thể đóng vai trò là bộ lọc để cách ly chúng.

Hầu hết các kim loại, chẳng hạn như nhôm, vàng, bạc và đồng, phản xạ bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài hơn, ví dụ, ở bước sóng hồng ngoại 10 micron, độ phản xạ từ kim loại đạt 98%. Chất rắn và chất lỏng có tính chất phi kim chỉ phản xạ một phần của dải IR, tùy thuộc vào thành phần hóa học của một chất cụ thể. Do các tính năng tương tác của tia hồng ngoại với các phương tiện khác nhau, chúng được sử dụng thành công trong nhiều nghiên cứu.

tán xạ hồng ngoại

Sóng hồng ngoại do Mặt trời phát ra khi đi qua bầu khí quyển của Trái đất bị phân tán và suy giảm một phần bởi các phân tử và nguyên tử không khí. Oxy và nitơ trong khí quyển làm suy yếu một phần tia hồng ngoại, tán xạ chúng, nhưng không hấp thụ hoàn toàn chúng, vì chúng hấp thụ một phần tia của quang phổ nhìn thấy được.

Nước, carbon dioxide và ozone có trong khí quyển hấp thụ một phần tia hồng ngoại và nước hấp thụ chúng nhiều nhất vì phổ hấp thụ hồng ngoại của nó rơi vào toàn bộ vùng của phổ hồng ngoại và phổ hấp thụ của carbon dioxide chỉ rơi vào vùng giữa .

Các lớp khí quyển gần bề mặt Trái đất truyền rất ít bức xạ hồng ngoại, vì khói, bụi và nước càng làm suy giảm bức xạ hồng ngoại, tán xạ năng lượng lên các hạt của chúng. Các hạt càng nhỏ (khói, bụi, nước, v.v.), tán xạ IR ít hơn và tán xạ bước sóng nhìn thấy được nhiều hơn. Hiệu ứng này được sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại.

Nguồn bức xạ hồng ngoại

Đối với chúng ta sống trên Trái đất, Mặt trời là nguồn bức xạ hồng ngoại tự nhiên rất mạnh vì một nửa phổ điện từ của nó nằm trong dải hồng ngoại. Đèn sợi đốt, phổ hồng ngoại lên tới 80% năng lượng bức xạ.

Ngoài ra, các nguồn bức xạ hồng ngoại nhân tạo bao gồm: hồ quang điện, đèn phóng điện khí và tất nhiên là lò sưởi gia dụng của các bộ phận làm nóng.Trong khoa học, để thu được sóng hồng ngoại, người ta sử dụng chân Nernst, dây tóc vonfram, cũng như đèn thủy ngân cao áp và thậm chí cả tia hồng ngoại đặc biệt (thủy tinh neodymium cho bước sóng 1,06 micron và tia laser helium-neon - 1,15 và 3,39 micron, carbon dioxide — 10,6 micron).

máy thu hồng ngoại

Nguyên lý hoạt động của máy thu sóng hồng ngoại dựa trên sự biến đổi năng lượng của bức xạ tới thành các dạng năng lượng khác sẵn sàng cho đo lường và sử dụng. Bức xạ hồng ngoại được hấp thụ trong máy thu làm nóng phần tử cảm nhiệt và sự gia tăng nhiệt độ được ghi lại.

Máy thu quang điện IR tạo ra điện áp và dòng điện để đáp ứng với một phần hẹp cụ thể của phổ IR mà chúng được thiết kế để hoạt động, nghĩa là máy thu quang điện IR có tính chọn lọc. Đối với sóng hồng ngoại trong phạm vi lên tới 1,2 μm, đăng ký ảnh được thực hiện bằng nhũ tương ảnh đặc biệt.

Bức xạ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ, đặc biệt là để giải quyết các vấn đề nghiên cứu thực tế. Nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát xạ của các phân tử và chất rắn vừa rơi vào vùng hồng ngoại.

Phương pháp nghiên cứu này được gọi là quang phổ hồng ngoại, cho phép giải quyết các vấn đề về cấu trúc bằng cách thực hiện phân tích quang phổ định lượng và định tính. Vùng hồng ngoại xa chứa các phát xạ gây ra bởi sự chuyển tiếp giữa các mặt phẳng nguyên tử. Nhờ phổ IR, bạn có thể nghiên cứu cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử.

Và đây là chưa kể đến nhiếp ảnh, khi cùng một vật thể được chụp đầu tiên ở vùng nhìn thấy và sau đó ở vùng hồng ngoại sẽ trông khác nhau, bởi vì do sự khác biệt về truyền, tán xạ và phản xạ đối với các vùng khác nhau của phổ điện từ, một số yếu tố và chi tiết trong một chế độ chụp ảnh bất thường có thể bị thiếu hoàn toàn: trong một bức ảnh bình thường, một thứ gì đó sẽ bị thiếu và trong một bức ảnh hồng ngoại, nó sẽ hiển thị.

Việc sử dụng bức xạ hồng ngoại trong công nghiệp và tiêu dùng không thể được đánh giá thấp. Nó được sử dụng để sấy khô và sưởi ấm các sản phẩm và vật liệu khác nhau trong công nghiệp. Trong nhà, mặt bằng được sưởi ấm.

Đầu dò quang điện sử dụng catốt quang nhạy cảm trong vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ, cho phép bạn nhìn thấy những gì không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Thiết bị nhìn đêm cho phép bạn nhìn trong bóng tối do sự chiếu xạ của các vật thể bằng tia hồng ngoại, ống nhòm hồng ngoại - để quan sát ban đêm, ống ngắm hồng ngoại - để nhắm mục tiêu trong bóng tối hoàn toàn, v.v. Nhân tiện, với sự trợ giúp của bức xạ hồng ngoại, bạn có thể tái tạo tiêu chuẩn mét chính xác.

Các máy thu sóng hồng ngoại có độ nhạy cao cho phép xác định hướng của các vật thể khác nhau bằng bức xạ nhiệt của chúng, ví dụ, hệ thống dẫn đường tên lửa hoạt động, chúng cũng tạo ra bức xạ hồng ngoại của chính chúng.

Máy đo khoảng cách và máy định vị dựa trên tia hồng ngoại cho phép quan sát một số vật thể trong bóng tối và đo khoảng cách tới chúng với độ chính xác cao. Tia laser hồng ngoại được sử dụng trong nghiên cứu khoa học, thăm dò bầu khí quyển, thông tin liên lạc trong không gian, v.v.