Infrarotstrahlung und ihre Anwendungen

Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,74 Mikrometer bis 2 mm wird in der Physik Infrarotstrahlung oder Infrarotstrahlen, abgekürzt „IR“, genannt. Es nimmt den Teil des elektromagnetischen Spektrums ein, der zwischen sichtbarer optischer Strahlung (mit Ursprung im roten Bereich) und dem kurzwelligen Radiofrequenzbereich liegt.

Obwohl Infrarotstrahlung vom menschlichen Auge praktisch nicht als Licht wahrgenommen wird und keine bestimmte Farbe hat, gehört sie dennoch zur optischen Strahlung und wird in der modernen Technik häufig eingesetzt.

Die charakteristischen Infrarotwellen erwärmen die Oberflächen von Körpern, weshalb Infrarotstrahlung auch oft als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Der gesamte Infrarotbereich ist bedingt in drei Teile unterteilt:

• Ferninfrarotbereich – mit Wellenlängen von 50 bis 2000 Mikrometer;

• mittlerer IR-Bereich – mit Wellenlängen von 2,5 bis 50 Mikrometer;

• Nahinfrarotbereich – von 0,74 bis 2,5 Mikrometer.

Infrarotstrahlung wurde im 19. Jahrhundert entdeckt.vom englischen Astronomen William Herschel und später, im Jahr 1802, unabhängig vom englischen Wissenschaftler William Wollaston.

IR-Spektren

In Form von Infrarotstrahlen erhaltene Atomspektren sind linear; Spektren kondensierter Materie – kontinuierlich; Molekülspektren sind gebändert. Die Schlussfolgerung ist, dass bei Infrarotstrahlen im Vergleich zu den sichtbaren und ultravioletten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums die optischen Eigenschaften von Substanzen, wie beispielsweise der Reflexionskoeffizient, die Transmission und die Brechung, sehr unterschiedlich sind.

Viele der Substanzen lassen zwar sichtbares Licht durch, erweisen sich jedoch als undurchlässig für Wellen in einem Teil des Infrarotbereichs.

Beispielsweise ist eine mehrere Zentimeter dicke Wasserschicht für Infrarotwellen mit einer Länge von mehr als 1 Mikrometer undurchlässig und kann unter bestimmten Bedingungen als Wärmeschutzfilter verwendet werden. Und die Schichten aus Germanium oder Silizium lassen kein sichtbares Licht durch, wohl aber Infrarotstrahlen einer bestimmten Wellenlänge. Ferninfrarotstrahlen werden von schwarzem Papier leicht durchgelassen und können als Filter für deren Isolierung dienen.

Die meisten Metalle wie Aluminium, Gold, Silber und Kupfer reflektieren Infrarotstrahlung mit einer längeren Wellenlänge, beispielsweise bei einer Infrarotwellenlänge von 10 Mikrometern erreicht die Reflexion von Metallen 98 %. Feststoffe und Flüssigkeiten nichtmetallischer Natur reflektieren je nach chemischer Zusammensetzung des jeweiligen Stoffes nur einen Teil des IR-Bereichs. Aufgrund dieser Besonderheiten der Wechselwirkung von Infrarotstrahlen mit verschiedenen Medien werden sie in vielen Studien erfolgreich eingesetzt.

Infrarotstreuung

Von der Sonne emittierte Infrarotwellen, die die Erdatmosphäre durchdringen, werden teilweise von Luftmolekülen und -atomen gestreut und abgeschwächt. Sauerstoff und Stickstoff in der Atmosphäre schwächen Infrarotstrahlen teilweise ab, streuen sie, absorbieren sie jedoch nicht vollständig, da sie einen Teil der Strahlen des sichtbaren Spektrums absorbieren.

In der Atmosphäre enthaltenes Wasser, Kohlendioxid und Ozon absorbieren teilweise Infrarotstrahlen, und Wasser absorbiert sie am stärksten, da seine Infrarotabsorptionsspektren über den gesamten Bereich des Infrarotspektrums liegen und die Absorptionsspektren von Kohlendioxid nur im mittleren Bereich .

Die Schichten der Atmosphäre in der Nähe der Erdoberfläche lassen nur sehr wenig Infrarotstrahlung durch, da Rauch, Staub und Wasser diese weiter schwächen und die Energie auf ihre Partikel streuen. Je kleiner die Partikel (Rauch, Staub, Wasser usw.), desto kleiner weniger IR-Streuung und mehr sichtbare Wellenlängenstreuung. Dieser Effekt wird in der Infrarotfotografie genutzt.

Quellen für Infrarotstrahlung

Für uns Menschen auf der Erde ist die Sonne eine sehr starke natürliche Quelle für Infrarotstrahlung, da die Hälfte ihres elektromagnetischen Spektrums im Infrarotbereich liegt. Bei Glühlampen beträgt das Infrarotspektrum bis zu 80 % der Strahlungsenergie.

Zu den künstlichen Infrarotstrahlungsquellen gehören auch: Lichtbogen, Gasentladungslampen und natürlich Haushaltsheizgeräte mit Heizelementen.In der Wissenschaft werden zur Gewinnung von Infrarotwellen der Nernst-Stift, Wolframfäden sowie Hochdruck-Quecksilberlampen und sogar spezielle IR-Laser verwendet (Neodymglas ergibt eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometern und ein Helium-Neon-Laser - 1,15 und 3,39). Mikrometer, Kohlendioxid – 10,6 Mikrometer).

IR-Empfänger

Das Funktionsprinzip von Infrarotwellenempfängern basiert auf der Umwandlung der Energie der einfallenden Strahlung in andere zur Messung und Nutzung verfügbare Energieformen. Die im Empfänger absorbierte Infrarotstrahlung erwärmt das wärmeempfindliche Element und es wird ein Temperaturanstieg registriert.

Photoelektrische IR-Empfänger erzeugen elektrische Spannung und Strom als Reaktion auf einen bestimmten schmalen Teil des IR-Spektrums, für den sie ausgelegt sind. Das heißt, photoelektrische IR-Empfänger sind selektiv. Für IR-Wellen im Bereich bis 1,2 μm erfolgt die fotografische Registrierung mit speziellen Fotoemulsionen.

Infrarotstrahlung wird in Wissenschaft und Technik häufig eingesetzt, insbesondere zur Lösung praktischer Forschungsprobleme. Untersucht werden die Absorptions- und Emissionsspektren von Molekülen und Festkörpern, die gerade in den Infrarotbereich fallen.

Dieser Forschungsansatz wird Infrarotspektroskopie genannt und ermöglicht die Lösung struktureller Probleme durch die Durchführung quantitativer und qualitativer Spektralanalysen. Der ferne Infrarotbereich enthält Emissionen, die durch Übergänge zwischen atomaren Unterebenen verursacht werden. Dank IR-Spektren können Sie die Strukturen der Elektronenhüllen von Atomen untersuchen.

Ganz zu schweigen von der Fotografie, bei der dasselbe Objekt, das zuerst im sichtbaren und dann im Infrarotbereich fotografiert wird, unterschiedlich aussieht, da aufgrund der unterschiedlichen Transmission, Streuung und Reflexion für verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums einige Elemente und Details In einem ungewöhnlichen Fotoaufnahmemodus kann es sein, dass etwas völlig fehlt: Auf einem gewöhnlichen Foto fehlt etwas, und auf einem Infrarotfoto wird es sichtbar.

Der industrielle und private Einsatz von Infrarotstrahlung ist nicht zu unterschätzen. Es wird zum Trocknen und Erhitzen verschiedener Produkte und Materialien in der Industrie verwendet. In Häusern werden die Räumlichkeiten beheizt.

Elektrooptische Wandler verwenden Fotokathoden, die im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich sind, sodass Sie sehen können, was für das bloße Auge unsichtbar ist.

Nachtsichtgeräte ermöglichen Ihnen das Sehen im Dunkeln durch die Bestrahlung von Objekten mit Infrarotstrahlen, Infrarot-Ferngläser – zur Nachtbeobachtung, Infrarot-Visiere – zum Zielen bei völliger Dunkelheit usw. Übrigens, mit Hilfe von Infrarotstrahlung können Sie kann den exakten Meterstandard reproduzieren.

Hochempfindliche Empfänger von IR-Wellen ermöglichen die Richtungsbestimmung verschiedener Objekte anhand ihrer Wärmestrahlung, beispielsweise funktionieren Raketenleitsysteme, die zusätzlich eigene IR-Strahlung erzeugen.

Auf Infrarotstrahlen basierende Entfernungsmesser und Ortungsgeräte ermöglichen die Beobachtung einiger Objekte im Dunkeln und die Messung der Entfernung zu ihnen mit hoher Genauigkeit. IR-Laser werden in der wissenschaftlichen Forschung, zur Untersuchung der Atmosphäre, für die Weltraumkommunikation und mehr eingesetzt.