Инфракрасное излучение (ИК) или инфракрасный свет - это тип излучающей энергии, который невидим для человеческого глаза, но который мы можем ощущать как тепло. Все объекты во вселенной излучают некоторый уровень инфракрасного излучения, но два из наиболее очевидных источников - это солнце и огонь.
ИК - это тип электромагнитного излучения, континуум частот, возникающих, когда атомы поглощают, а затем выделяют энергию. От самой высокой до самой низкой частоты электромагнитное излучение включает гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Вместе эти виды излучения составляют электромагнитный спектр.
По данным НАСА, в 1800 году британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасный свет. В эксперименте по измерению разницы в температуре между цветами в видимом спектре он поместил термометры на пути света в каждом цвете видимого спектра. Он наблюдал повышение температуры от синего до красного, и он обнаружил, что измерение температуры стало еще теплее сразу за красным концом видимого спектра.
Внутри электромагнитного спектра инфракрасные волны возникают на частотах выше, чем у микроволн, и чуть ниже, чем у красного видимого света, отсюда и название «инфракрасный». Волны инфракрасного излучения длиннее, чем у видимого света, согласно Калифорнийскому технологическому институту (Caltech). ИК-частоты колеблются от примерно 3 гигагерц (ГГц) до примерно 400 терагерц (ТГц), а длина волны оценивается в диапазоне от 1000 микрометров (мкм) до 760 нанометров (2,9921 дюйма), хотя эти значения не являются окончательными, согласно НАСА.
Подобно спектру видимого света, который варьируется от фиолетового (самая короткая длина волны видимого света) до красного (самая длинная длина волны), инфракрасное излучение имеет свой собственный диапазон длин волн. Короткие «ближние инфракрасные» волны, которые ближе к видимому свету в электромагнитном спектре, не излучают никакого детектируемого тепла и являются тем, что испускается с пульта дистанционного управления телевизора для смены каналов. По словам НАСА, более длинные «дальние инфракрасные» волны, которые находятся ближе к микроволновой части электромагнитного спектра, могут ощущаться как интенсивное тепло, такое как тепло от солнечного света или огня.
Инфракрасное излучение является одним из трех способов передачи тепла из одного места в другое, два других - конвекция и проводимость. Все с температурой выше около 5 градусов Кельвина (минус 450 градусов по Фаренгейту или минус 268 градусов по Цельсию) испускает ИК-излучение. По данным Университета Теннесси, Солнце испускает половину своей полной энергии в виде ИК-излучения, и значительная часть видимого света звезды поглощается и переизлучается в виде ИК-излучения.
Бытовое использование
Бытовые приборы, такие как тепловые лампы и тостеры, используют инфракрасное излучение для передачи тепла, как и промышленные нагреватели, такие как те, которые используются для сушки и отверждения материалов. По данным Агентства по охране окружающей среды, лампы накаливания преобразуют только около 10 процентов своей потребляемой электрической энергии в энергию видимого света, а остальные 90 процентов преобразуются в инфракрасное излучение.
Инфракрасные лазеры могут использоваться для связи точка-точка на расстояниях в несколько сотен метров или ярдов. Согласно данным How Stuff Works, пульты дистанционного управления телевизора, использующие инфракрасное излучение, излучают импульсы инфракрасной энергии со светодиода (LED) на ИК-приемник в телевизоре. Приемник преобразует световые импульсы в электрические сигналы, которые инструктируют микропроцессор выполнять запрограммированную команду.
Инфракрасное зондирование
Одним из наиболее полезных применений ИК-спектра является зондирование и обнаружение. Все объекты на Земле излучают инфракрасное излучение в виде тепла. Это можно обнаружить с помощью электронных датчиков, таких как те, которые используются в очках ночного видения и инфракрасных камерах.
Простой пример такого датчика - болометр, состоящий из телескопа с термочувствительным резистором, или термистором, в его фокусе, согласно Калифорнийскому университету, Беркли (UCB). Если теплое тело попадает в поле зрения данного прибора, тепло вызывает заметное изменение напряжения на термисторе.
Камеры ночного видения используют более сложную версию болометра. Эти камеры, как правило, содержат чипы формирования изображений с зарядовой связью (CCD), чувствительные к ИК-излучению. Изображение, сформированное ПЗС, может быть воспроизведено в видимом свете. Эти системы можно сделать достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать в ручных устройствах или в носимых очках ночного видения. Камеры также могут быть использованы для прицелов с или без добавления ИК-лазера для прицеливания.
Инфракрасная спектроскопия измеряет ИК-излучение материалов на определенных длинах волн. ИК-спектр вещества будет демонстрировать характерные провалы и пики, когда фотоны (частицы света) поглощаются или испускаются электронами в молекулах при переходе электронов между орбитами или уровнями энергии. Эта спектроскопическая информация затем может быть использована для идентификации веществ и мониторинга химических реакций.
По словам Роберта Майановича, профессора физики в Университете штата Миссури, инфракрасная спектроскопия, такая как инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием (FTIR), очень полезна для многочисленных научных приложений. К ним относятся изучение молекулярных систем и 2D материалов, таких как графен.
Инфракрасная астрономия
Caltech описывает инфракрасную астрономию как «обнаружение и исследование инфракрасного излучения (тепловой энергии), испускаемого объектами во вселенной». Достижения в системах визуализации ИК ПЗС позволили детально наблюдать за распределением источников ИК в космосе, выявляя сложные структуры в туманностях, галактиках и крупномасштабных структурах Вселенной.
Одним из преимуществ ИК-наблюдения является то, что он может обнаруживать слишком холодные объекты, чтобы излучать видимый свет. Это привело к открытию ранее неизвестных объектов, включая кометы, астероиды и тонкие межзвездные пылевые облака, которые, кажется, распространены по всей галактике.
ИК астрономия особенно полезна для наблюдения за холодными молекулами газа и для определения химического состава частиц пыли в межзвездной среде, сказал Роберт Паттерсон, профессор астрономии в Университете штата Миссури. Эти наблюдения проводятся с использованием специализированных ПЗС-детекторов, чувствительных к ИК-фотонам.
Еще одно преимущество инфракрасного излучения заключается в том, что его более длинная волна означает, что он не рассеивает столько же, сколько видимый свет, согласно НАСА. В то время как видимый свет может поглощаться или отражаться частицами газа и пыли, более длинные инфракрасные волны просто проходят вокруг этих небольших препятствий. Благодаря этому свойству ИК может использоваться для наблюдения за объектами, свет которых скрыт газом и пылью. К таким объектам относятся вновь образующиеся звезды, встроенные в туманности или центр галактики Земли.
Эта статья была обновлена 27 февраля 2019 года участником Live Science Трейси Педерсен.
