інфрачервоне випромінювання

Наши партнеры ArtmMisto

ІНФРАЧЕРВОНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ (ІК-випромінювання, ІЧ-промені) - ел - магн. випромінювання , Що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (з довжиною повні l, ок. 0,76 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (l ~ 1-2 мм). Верх, межа І. і. визначається чутливістю людського ока до видимого випромінювання, а нижня - умовна, т. к. ІК-діапазон перекривається радіодіапазоні довжин хвиль. ІК-область спектра зазвичай ділять на ближню (0,76-2,5 мкм), середню (2,5-50 мкм) і далеку (50-2000 мкм). І. і. підпорядковується всім законам оптики і відноситься до оптич. випромінювання. І. і. не бачене оком, але створює відчуття тепла і тому часто наз. тепловим. Спектр І. і. може складатися з отд. ліній, смуг або бути безперервним залежно від випускає його джерела. лінійчаті

Мал. 1. Інфрачервоний спектр випромінювання ртуті. 1-12 - спектральні лінії, довжини хвиль яких в мкм рівні: 1 - 1,014; 2 - 1,129; 3 - 1,357; 4 - 1,367; 5 - 1,395; 6 - 1,530; 7 - 1,692; 8 - 1,707 і 1,711; 9 - 1,814; 10 - 1,970; 11 - 2,249; 12 - 2,326.

ІК-спектри випускають збуджені атоми або іони при переходах між близько розташованими електронними рівнями енергії (рис. 1; див. атомні спектри ) .Полосатие ІК-спектри спостерігаються в спектрах випускання збуджених молекул, що виникають при переходах між колебат. і вращат. рівнями енергії, - колебат. і вращат. спектри (див. молекулярні спектри ) .Колебат. і коливально-вращат. спектри розташовані гл. обр. в середній, а чисто обертальні - в далекій ІЧ-області. Безперервний ІК-спектр випромінюють нагріті тверді і рідкі тіла. Абс. і відносить, частка І. і. нагрітого твердого тіла залежить від його темп-ри. При темп-pax нижче 500 К випромінювання майже цілком розташоване в ІК-області (тіло здається темним). Однак повна енергія випромінювання при таких темп-pax мала. При підвищенні темп-ри частка випромінювання у видимій області збільшується, тіло стає темно-червоним, потім червоним, жовтим і, нарешті, при темп-pax вище 5000 К білим; при цьому разом з повною енергією випромінювання зростає і енергія І. п. Сувора залежність енергії випромінювання нагрітих тіл від темп-ри існує тільки для абсолютно чорного тіла . Теплове випромінювання всіх діапазонів довжин

Мал. 2. Криві випромінювання абсолютно чорного тіла Л і вольфраму В при температурі 2450 ° К. Заштрихована частина - випромінювання вольфраму в ІК-області; інтервал 0,4-0,74 мкм - видима область.

хвиль реальних тел менше, ніж випромінювання абсолютно чорного тіла тієї ж темп-ри, і може носити селективний характер. Напр., Випромінювання розжареного вольфраму в ІК-області відрізняється від випромінювання чорного тіла більше, ніж у видимій області спектра (рис. 2). Випромінювання Сонця близько до випромінювання абсолютно чорного тіла з темп-рої близько 6000 8К, причому близько 50% енергії випромінювання розташоване в ІК-області. Розподіл енергії випромінювання людського тіла в ІК-області близько до розподілу енергії чорного випромінювання з максимумом при l ~ 9,5 мкм.
Джерела І. і. Найбільш поширені джерела І. і.- лампи розжарювання з вольфрамової ниткою потужністю до 1 кВт, 70-80% випромінюваної енергії яких брало доводиться на ІЧ-діапазон (вони використовуються, напр., Для сушки і нагріву), а також вугільна електричні. дуга, газорозрядні лампи, електричні. спіралі з ніхромового дроту. Для ІК-фотографії і в деяких ІК-приладах (напр., Приладах нічного бачення) для виділення І. і. застосовують ІК-світлофільтри. У науч. дослідженнях (напр., в інфрачервоної спектроскопії ) Застосовують разл. спец. джерела І. і. в залежності від області спектра. Так, в ближній ІЧ-області (l = 0,76-2,5 мкм) джерелом І. і. служить стрічкова вольфрамова лампа, в середній ІЧ-області (2,5-25 мкм) - штифт Нернста і глобар, в області l ~ 20 -100 мкм - платинова смужка, покрита тонким шаром окислів деяких рідкоземельних металів; в далекій ІЧ-області (100-1600 мкм) - ртутна кварцова лампа високого тиску. Джерелами І. і. не є-к-які ІК-лазери: лазер на ніодімовий склі (l = 1,06 мкм), гелій-неоновий лазер (l = 1,15 мкм і 3,39 мкм), СО-лазер (l ~ 5,08 -6,66 мкм), СО2-лазер (l ~ 9,12-11,28 мкм), лазер на парах води (l ~ 118,6 мкм), HCN-лазер (l ~ 773 мкм), хім. лазер на суміші Н2 і С12 (l ~ 3,7-3,8 мкм), напівпровідникові лазери на GaAs (l ~ 0,83-0,92 мкм), InSb (l ~ 4,8-5,3 мкм), (Pb, Sn) Ті (l ~ 6,5-32 мкм) і ін. Багато ІК -лазери можуть працювати в режимі перебудовується частоти випромінювання.
Методи виявлення і вимірювання І. і. засновані на перетворенні енергії І. і. в ін. види енергії, методи реєстрації яких брало добре розроблені. У теплових приймачах поглинене І. і. викликає підвищення темп-ри термочувствіт. елемента, до-рої тим чи іншим способом реєструється. Теплові приймачі можуть працювати практично в усій області І. і. У фотоелектріч. приймачах поглинене І. і. призводить до появи або зміни електричні. струму або напруги . Такі приймачі на відміну від теплових селективні, т. Е. Чутливі лише в определ. ІК-області спектра (див. Приймачі оптичного випромінювання ). Мн. фотоелектріч. приймачі І. і. особливо для середньої і далекої ІЧ-області спектра працюють лише в охолодженому стані. Як приймачів І. і. також використовуються прилади, засновані на посиленні або гасінні люмінесценції , Під дією І. і., А також т. Н. антистоксових люмінофори (див. антистоксових люмінесценція ), Що безпосередньо перетворюють І. і. в видиме (люмінофор з іонами Yb і Еr перетворює випромінювання неодимового лазера l = 1,06 мкм в видиме з l = 0,7 мкм). Спец. фотоплівки і пластинки - інфрапластінкі - також чутливі до І. н. (До l = 1,3 мкм). Існують також спец. прилади, к-які дозволяють шляхом реєстрації власної. теплового І. і. отримати розподіл темп-ри по поверхні об'єкта, т. е. його теплове (або температурне) зображення. Це т. Зв. теплове зображення можна перетворити на видиме зображення, в к-ром яскравість видимого зображення в отд. точках пропорційна темп-ре відповідних точок об'єкта. Зображення, отримане в цих приладах, не є ІК-зображенням в звичайному сенсі, т. К. Дає лише картину розподілу темн-ри на поверхні об'єкту. Прилади візуалізації І. і. діляться на несканірующіе і скануючі. У перших І. і. реєструється безпосередньо на фотоплівці або люмінесцентному екрані, а також на екрані за допомогою електроннооптичних перетворювачів (ЕОП) або евапорографов. До сканирующим приладів відносяться тепловізори або термографи з оптико-механічні. скануванням об'єкта. Область чутливості ЕОП визначається чутливістю до І. і. фотокатода і не перевищує l = 1,3 мкм. Евапорографи і тепловізори можуть бути використані в середній ІЧ-області, і тому вони дозволяють отримувати теплове зображення низькотемпературних тел. Існують також методи параметріч. перетворення І. і. в видиме випромінювання при змішуванні І. і. з когерентним лазерним випромінюванням в оптично нелінійних кристалах (див. Параметричний генератор світла ).
Оптичні властивості речовин в ІК-області спектра (прозорість, коеф. Відбиття, коеф. Заломлення), як правило, значно відрізняються від оптич. властивостей у видимій і УФ-областях спектра. Мн. речовини, прозорі у видимій області, виявляються непрозорими в деяких областях І. і., і навпаки. Напр., Шар

води завтовшки в дек. см непрозорий для І. і. з l> 1 мкм (тому вода часто використовується як теплозахисний фільтр), пластинки германію і кремнію, непрозорі у видимій області, прозорі для І. і. (Германій для l> 1,8 мкм, кремній для l> 1,0 мкм). Чорний папір прозорий в далекій ІЧ-області. Речовини, прозорі для І. і. і непрозорі у видимій області, використовуються як світлофільтри для виділення І. і.

Мал. 3. Відображення інфрачервоного випромінювання від лужно-галоїдних кристалів.

Поглинання І. і. для більшості речовин в тонких шарах носить селективний характер у вигляді відносно вузьких областей - смуг поглинання. Нек-риє речовини, гл. обр. монокристали, навіть при товщині до дек. см прозорі в досить великих певних діапазонах інфрачервоного спектра. У табл. приведена довгохвильовий кордон lг пропускання деяких матеріалів, що застосовуються в ІК-області спектра для виготовлення призм, лінз, вікон тощо. оптич. деталей (матеріали, відмічені зірочкою, гігроскопічні). Поліетилен, парафін, тефлон, алмаз прозорі для l> 100 мкм (пропускання понад 50% при товщині 2 мм). Отражат. здатність для І. і. у більшості металів значно більше, ніж для видимої області, і зростає зі збільшенням l І. і. (Див. металооптика ) .Напр., Коеф. відображення Al, Au, Ag, Сu в області l = 10 мкм досягає 98%. Рідкі і тверді неметаллич. речовини мають в ІК-області селективним віддзеркаленням, причому положення максимумів віддзеркалення залежить від хім. складу речовини. У деяких

Мал. 4. Крива пропускання атмосфери в області l = 0,6-14 мкм. "Вікна" прозорості в області l @ 2,0-2,5 мкм; 3,2-4,2 мкм; 4,5-5,2 мкм; 8,0-13,5 мкм. Смуги поглинання з максимумами при l @ 0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74; 6,3 мкм належать парам води; при l = 2,7, 4,26 і 15,0 мкм - вуглекислого газу і при l @ 9,5 мкм - озону.

кристалів коеф. відображення в максимумі селективного відображення (рис. 3) досягає великих значень (до 80%), і тому пластинки з таких кристалів можуть служити отражат. фільтрами для виділення потужність. областей І. і. (Т. Зв. Метод залишкових променів). Прозорість земної атмосфери для І. і. (Так само як і для видимого і УФ-випромінювання) відіграє велику роль в процесі теплового радиац. обміну між випромінюванням Сонця, падаючим на Землю, і І. і. Землі в світовий простір (зворотне випромінювання Землі розташоване гл. Обр. В області спектра з максимумом ок. 10 мкм), а також істотна при практич. використанні І. і. (Для зв'язку, в ІК-фотографії, для застосування І. і. У військовій справі і т. Д.). Проходячи через земну атмосферу, І. і. послаблюється в результаті розсіювання (див. розсіювання світла ) І поглинання. Азот і кисень повітря не поглинають І. і., А послаблюють його лише в результаті розсіювання, до-рої значно менше, ніж для випромінювання видимого світла (т. К. Коеф. Розсіювання ~ l-4). Пари води, СО2, озону та ін. Домішки, наявні в атмосфері, селективно поглинають І. і. Особливо сильно поглинають І. і. пари води, смуги поглинання яких брало розташовані майже у всій ІК-області спектра (рис. 4). Завдяки сильному поглинанню І. і. земною атмосферою лише невелика частина зворотного І. і. Землі виходить за межі атмосфери, т. Е. Атмосфера служить теплоізолювальної оболонкою, яка перешкоджає охолодженню Землі. Наявність в атмосфері частинок диму, пилу, дрібних крапель води (серпанок, туман) призводить до доповнить, ослаблення І. і. в результаті розсіювання на цих частках, причому величина розсіяння залежить від співвідношення розмірів часток і довжини хвилі І. і.
Застосування ІЧ-випромінювання. І. н. знаходить широке застосування в наук. дослідженнях, при вирішенні великого числа практич. задач, в військовій справі та ін. Дослідження спектрів випускання і поглинання речовин в ІК-області є доповненням до досліджень у видимій і УФ-областях і використовується при вивченні структури електронної оболонки атомів, визначення структури молекул, а також для якостей, і кількостей. спектрального аналізу . Широке застосування для вивчення структури атомів і молекул н елементного складу речовини знайшли ІК-лазери (особливо з перебудовується частотою; см. лазерна спектроскопія ). Завдяки особливостям взаємодії І. і. з речовиною ІК-фотографія має ряд переваг перед фотографією у видимому випромінюванні. Так, в результаті меншого ослаблення І. і. внаслідок розсіювання при проходженні через серпанок і невеликий туман і при використанні інфраплёнок і ІК-свÐ