Інфрачервоне випромінювання

Інфрачервоне випромінювання
Попередник	видиме світло
Не має властивості	видимість^[d]
Інфрачервоне випромінювання у Вікісховищі

Термографія лева, у псевдо-кольорах

Інфрачерво́не випромі́нювання (від лат. infra — нижче, скорочено ІЧ) — електромагнітне випромінювання, що охоплює спектральну область між червоною межею видимого світла з довжиною хвилі λ = 700 нм (частота близько 430 ТГц) та мікрохвильовим випромінюванням з довжиною хвилі λ ~ 1 мм (частота близько 300 ГГц)^[1]. Інфрачервоне випромінювання інколи ще називають інфрачервоним світлом.

Зображення зоряного неба в космічному телескопі в інфрачервоному діапазоні (умовними кольорами): блакитному, зеленому та червоному кольорам відповідають довжини хвиль 3,4, 4,6 та 12 мкм, відповідно

Людське око не бачить інфрачервоного випромінення, органи чуття деяких інших тварин, наприклад, змій та кажанів, сприймають інфрачервоне випромінювання, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві.

Інфрачервоне випромінення також називають «тепловим випромінюванням» через залежність його спектру та інтенсивності, від температури, а також сприйняттям його шкірою людини як відчуття тепла. Довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вищою є температура, тим коротшою є довжина хвилі та вищою є інтенсивність випромінювання. Отже, зі зростанням температури, максимум інтенсивності випромінювання зміщується в бік коротших хвиль, тобто в напрямку видимого діапазону. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла за відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температур, лежить здебільшого саме в цьому діапазоні. Інфрачервоне випромінювання випускає збуджені атоми або іони.

Детектори руху

Детектори руху на основі інфрачервоних датчиків сприймають інфрачервоне випромінювання або іншими словами — тепло. Спеціально вигнута лінза Френеля фокусує інфрачервоне випромінювання на піросенсорі детектора. Після цього зазвичай сигнал датчика надсилається до мікропроцесора, що перетворює їх у цифрові дані. Під час аналізу даних, маючи дані про інтенсивність інфрачервоного випромінювання та динаміку руху джерела, програмні алгоритми можуть визначити характер об'єкту та його потенційної загрози^[2].

Джерела інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоні промені випромінюються всіма тілами, що мають температуру вищу за абсолютний нуль.

Приблизно 50 % загальної інтенсивності випромінювання Сонця над поверхнею моря в сонячний день припадає на інфрачервоний діапазон^[3].

Значна частка (від 70 до 80 %) енергії випромінювання ламп розжарення з вольфрамовою ниткою припадає на інфрачервоне випромінювання (вони можуть використовуватись наприклад, для сушіння чи нагрівання). При інфрачервоному фотографуванні в темряві та в деяких приладах нічного бачення лампи для підсвічування забезпечуються інфрачервоним світлофільтром, який пропускає лише інфрачервоне випромінювання. Потужним джерелом інфрачервоного випромінювання є вугільна електрична дуга з температурою ~ 3900 К, випромінювання якої близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла, а також різні газорозрядні лампи (імпульсні та безперервного світіння). Для радіаційного обігрівання приміщень застосовують спіралі з ніхромового дроту, що нагріваються до температури ~ 950 К. Для кращої концентрації інфрачервоного випромінювання такі нагрівачі оснащуються рефлекторами.

У наукових дослідженнях, наприклад, для отримання спектрів інфрачервоного поглинання в різних областях спектру (інфрачервоній спектроскопії) застосовують спеціальні джерела інфрачервоного випромінювання: стрічкові вольфрамові лампи (довжина хвилі λ = 0,76…2,5 мкм), штифт Нернста, глобар (λ = 2,5…25 мкм), платинова смужка, покрита тонким шаром оксидів деяких рідкоземельних металів (λ = 20…100 мкм), ртутні лампи високого тиску (λ = 100…1600 мкм) тощо^[4].

Випромінювання деяких оптичних квантових генераторів — лазерів також лежить в інфрачервоній області спектру. Наприклад, випромінювання лазера на неодимовому склі має довжину хвилі 1,06 мкм; лазера на суміші неону і гелію — 1,15 мкм і 3,39 мкм; лазера на вуглекислому газі — 9,12…11,28 мкм; лазера на парах води — 118,6 мкм; напівпровідникових лазерів: на GaAs — 0,83…0,92 мкм, на InSb — 4,8…5,3 мкм; хімічного лазера на суміші Н₂ і Cl₂ — 3,7…3,8 мкм тощо^[5].

Класифікація за довжиною хвилі

Прозорість земної атмосфери в інфрачервоній області. Провали на графіку відповідають областям поглинання, які ототожнюються з різними атмосферними газами

В електромагнітному спектрі інфрачервоне випромінювання обмежене з короткохвильового боку видимим світлом, а з довгохвильового боку — мікрохвильовим випромінюванням, яке належить до радіочастотного діапазону. Границі діапазонів не є строго визначеними.

Існує кілька стандартів класифікації інфрачервоного випромінювання.

За визначенням Міжнародної комісії з освітленості за довжиною хвилі інфрачервоне випромінювання підрозділяється на три діапазони^[6]:

• IR-A — від 700 до 1400 нм,
• IR-B — від 1400 до 3000 нм,
• IR-C — від 3000 нм до 1 мм.

Перший із цих діапазонів, IR-A називають також ближніми інфрачервоними хвилями. Він визначається вікном у спектрі поглинання води і здебільшого використовується для оптоволоконних телекомунікацій, бо електромагнітні хвилі цього діапазону слабо поглинаються склом.

За стандартом ISO 20473^[7] інфрачервоне випромінювання поділяється на три діапазони

• ближнє інфрачервоне випромінювання — від 780 до 3000 нм
• середнє інфрачервоне випромінювання — від 3000 до 50 000 нм
• далеке інфрачервоне випромінювання — від 50 до 1000 мкм

В астрономії використовується наступна класифікація^[8]:

• ближнє інфрачервоне випромінювання — від 700 до 5000 нм
• середнє інфрачервоне випромінювання — від 5000 до (25-40) мкм
• далеке інфрачервоне випромінювання — від (25-40) мкм до (200—350)  мкм

Ще одна схема класифікація основана на чутливості певного типу детекторів^[9]

• Ближнє інфрачервоне випромінювання — це область від 700 до 1000 нм, тобто від приблизної границі людського зору до діапазону кремнієвих детекторів.
• Короткохвильове інфрачервоне випромінювання — область довжин хвиль від 1 до 3 мікрон, тобто від границі чутливості кремнієвих детекторів до вікна прозорості атмосфери. Детектори на основі InGaAs покривають область до 1,8 мікрон, всю цю область покривають менш чутливі детектори на основі солей свинцю.
• Середньохвильове інфрачервоне випромінювання — область, що відповідає атмосферному вікну, від 3 до 5 мікрон. В цій області працюють детектори на основі антимоніду індію (InSb)^[en], HgCdTe^[en] і почасти на основі селеніду свинцю (PbSe)^[en].
• довгохвильове інфрачервоне випромінювання — за різними визначеннями область довжин хвиль від 8 до 12 мкм, або від 7 до 14 мкм. Це область атмосферного вікна, в якій працюють детектори на основі HgCdTe та мікроболометри^[en].
• Дуже довгохвильове червоне випромінювання — область довжин хвиль від 12 до 30 мкм, де працюють детектори на основі легованого кремнію.

Методи виявлення та вимірювання інфрачервоного випромінювання

Робота приймачів інфрачервоного випромінювання ґрунтується на перетворенні енергії інфрачервоного випромінювання в інші види енергії, що можуть бути виміряні традиційними методами. Існують теплові, фотоелектричні та фотохімічні приймачі інфрачервоного випромінювання.

У теплових приймачах поглинуте інфрачервоне випромінювання викликає підвищення температури термочутливого елемента, яке тим чи іншим способом реєструється. Теплові приймачі можуть працювати практично в усій області інфрачервоного випромінювання.

У фотоелектричних приймачах поглинуте інфрачервоне випромінювання приводить до появи або зміни електричного струму чи напруги. Фотоелектричні приймачі, на відміну від теплових, є селективними приймачами, тобто чутливими лише у певній області спектру.

Багато з видів фотоелектричних приймачів інфрачервоного випромінювання і особливо для середньої і далекої області спектру працюють лише в охолодженому стані. Як приймачі інфрачервоного випромінювання також використовуються прилади, принцип роботи яких ґрунтується на підсиленні або послабленні люмінесценції під дією інфрачервоного випромінювання, а також так звані антистоксові люмінофори, що безпосередньо перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме (люмінофор з іонами Yb та Er перетворює випромінювання неодимового лазера з довжиною хвилі λ = 1,06 мкм у видиме з λ = 0,7 мкм).

До фотохімічних приймачів інфрачервоного випромінювання належать фотоплівки, фотопластинки (інфрапластинки) та інші фотоматеріали. Застосовують їх для вимірювання енергії випромінювання за ступенем почорніння світлочутливого шару внаслідок фотохімічної реакції. Вони є чутливими до випромінювання з довжиною хвилі до 1,3 мкм.

Використання

Інфрачервона спектроскопія

Інфрачервона спектроскопія дозволяє отримати інформацію про структуру молекул і твердих тіл і типи атомних коливань у них. На інфрачервоний діапазон припадають частоти коливань атомів у молекулах і твердих тілах, а також, частково, частоти електронних переходів. В цій області лежать ширини заборонених зон вузькозонних напівпровідників, що створює можливості для використання напівпровідникових речовин як детекторів інфрачервоного світла й джерел електромагнітних хвиль у телекомунікаційних приладах. Матеріали, такі як кремній мають невелику ширину забороненої зони, а тому прозорі тільки в інфрачервоній області спектру. Відповідно, виготовлені на основі кремнію світлодіоди та лазери випромінюють тільки інфрачервоні хвилі. Інфрачервона спектроскопія особливо ефективна при дослідженні органічних речовини, оскільки частоти нормальних мод, що відповідають коливанням у радикалах на кшталт CH₂ добре відомі.

Теплобачення

Одним із застосувань інфрачервоного випромінювання є прилади нічного бачення, що реєструють теплове випромінювання предметів оточення і перетворюють його у видиме зображення. У військовій техніці інфрачервоні промені використовуються також для наведення ракет на теплове випромінювання літаків і гелікоптерів.

Передавання даних

Інфрачервоні світлодіоди і фотодіоди використовуються в пультах дистанційного керування, системах автоматики, пожежних сповіщувачах, синхронізаторах фотоспалахів охоронних системах і т. д. Вони не відволікають увагу людини в силу своєї невидимості.

Сушіння та стерилізація

Інфрачервоні випромінювачі застосовують у промисловості для сушіння лакофарбових поверхонь. Інфрачервоний метод сушіння має істотні переваги перед традиційним, конвекційним методом. У першу чергу це, безумовно, економічний ефект. Час роботи і витрачена енергія при сушінні інфрачервоними променями менше тих же показників при традиційних методах. Позитивним побічним ефектом так само є стерилізація харчових продуктів, збільшення стійкості до корозії поверхонь що покриваються фарбами. Недоліком же є істотно велика нерівномірність нагрівання, що в ряді технологічних процесів абсолютно неприйнятно. Особливістю застосування ІЧ-випромінювання в харчовій промисловості є можливість проникнення електромагнітної хвилі у такі капілярно-пористі продукти, як зерно, крупа, борошно тощо на глибину до 7 мм. Ця величина залежить від характеру поверхні, структури, властивостей матеріалу і частотної характеристики випромінювання. Електромагнітна хвиля певного частотного діапазону надає не тільки термічний, а й біологічний вплив на продукт, сприяє прискоренню біохімічних перетворень в біологічних полімерах (крохмаль, білок, ліпіди). Конвеєрні сушильні транспортери з успіхом можуть використовуватися при закладці зерна в зерносховища і в борошномельній промисловості.

Обігрівання

Крім того, останнім часом інфрачервоне випромінювання дедалі частіше починають застосовувати для обігріву приміщень та вуличних просторів. Інфрачервоні обігрівачі використовуються для організації додаткового або основного опалення у приміщеннях (будинках, квартирах, офісах і т. ін.), а також для локального обігріву вуличного простору (вуличні кафе, альтанки, веранди).

Парниковий ефект

Поглинання і повторне випромінювання інфрачервоного світла деякими газами є причиною парникового ефекту, що значно підвищує температуру поверхні планет, зокрема Землі.

Історична довідка

Гіпотеза щодо існування невидимих «теплових» променів є досить стародавньою. Ще римський філософ-матеріаліст Тіт Лукерцій Кар до нашої ери, у своїй поемі «Про природу речей»^[10] писав:

Так, може, й сонце, що в небі світильником сяє рожево,

Мовби вповите вогнем — недосяжним для нашого ока: Роєм розжеврених, та не позначених блиском пилинок,

Що жароносну собою примножують променів силу. (I:608-611)

На такому філософському поетичному рівні уявлення про випромінювання залишалися аж до XVII ст., коли експеримент став складовою частиною науки та почалися дослідження теплового випромінювання. В останню чверть XVII ст. широке використання парових машин у металургії та хімічній промисловості, тісно пов'язаних з тепловими процесами, стимулювало розвиток вчення про теплоту та її перенесення.

Уперше поняття про теплове випромінювання було введено шведським хіміком Карлом Шеєле, що присвятив властивостям «променистої теплоти» окремий розділ у «Хімічному трактаті про повітря і вогонь» (1777)^[11]. У своїх спостереженнях теплового випромінювання Шеєле не застосовував термометричних вимірювань, тому його дослідження мали чисто якісний характер.

Через два роки після опублікування трактату Шеєле посмертно вийшла «Пірометрія»^[12] німецького математика і фізика Йоганна Ламберта. У ній були описані досліди, що узгоджувалися із спостереженнями Шеєле. Ламберт вперше експериментально довів, що теплові промені поширюються прямолінійно і що їх інтенсивність зменшується обернено пропорційно до квадрату відстані від джерела.

І Шеєле, і Ламберт бачили та підкреслювали схожість між тепловими та світловими променями (прямолінійне поширення, відбиття), але про тотожність їх не могло бути й мови. Лише подальший розвиток теорії теплового випромінювання та її підтвердження експериментальними даними призвело до глибшого розуміння взаємозв'язку теплового і світлового випромінювання.

У 1790 побачила світ праця «Есе про вогонь» (фр. Essai sur le feu) професора Женевської академії Марка Пікте, у якій описано знаменитий дослід із «відбиттям холоду» і доведено, що «холод — це лише недостача теплоти, а заперечення на може відбиватись»^[13]. Дослід мав велике значення для з'ясування природи променистої теплоти. Це пояснення ґрунтувалось на тому, що тепло випромінюється лише у напрямі від більше нагрітого тіла до менше нагрітого.

Професор Женевської академії П'єр Прево^[fr] у 1771 році висловив думку про те, що тіла, які мають однакову температуру, все ж обмінюються випромінюванням. Він першим показав, що енергетичний рівноважний стан має динамічний характер. За Прево будь-яке нагріте тіло випускає теплові промені, подібно до того, як тіло, що світиться, випромінює світлові промені. Теплові промені за Прево — це теплові частинки, що рухаються у просторі прямолінійно з великою швидкістю. Кожне тіло постійно випромінює теплоту і отримує завдяки такому ж випромінюванню від навколишніх тіл^[14].

Експеримент Гершеля

На початку 1800 року Вільям Гершель зауважив, що скельця різних кольорів, які використовувались як світлофільтри телескопів, по-різному поглинають світло і тепло сонячних променів. Гершель повідомив про своє відкриття на засіданні Лондонського Королівського товариства 27 березня 1800 року.

Поміщаючи чутливий термометр із зачорненою кулькою у кожну кольорову смугу сонячного спектра, Гершель виявив, що покази термометра збільшуються у міру просування від фіолетової смуги до червоної. У нього виникла думка, що зростальна теплова дія променів не повинна обриватися на червоних променях, що давали максимум теплоти. Вперше в історії науки Гершель став вимірювати температуру за межами спектра і виявив існування невидимих променів, які «мають найбільшу нагрівальну силу». Гершель назвав це явище невидимим тепловим випромінюванням.

У процесі подальших досліджень властивостей теплового випромінювання Гершель став сумніватися в правильності цього висновку і вже в третьому повідомленні (15 травня 1800) намагався довести «разючі істотні відмінності між світлом і теплотою»^[15].

Відкриття Гершеля дуже вразило його сучасників, однак недостатня переконливість деяких його дослідів та сумніви самого автора послужили приводом для суперечливих тлумачень його відкриття. Найревнішим противником ідеї існування невидимого випромінювання, здатного робити теплові впливи, виступив англійський фізик Джон Леслі. Для перевірки результатів Гершеля Леслі самостійно провів аналогічний експеримент, розклавши сонячний спектр за допомогою призми з флінтгласу. Вимірювання температури здійснювалось спеціально сконструйованим для цього експерименту диференціальним ртутним термометром. За межами червоної смуги спектру він не виявив ніякого зростання температури. Леслі стверджував, що досліди Гершеля виконані недостатньо ретельно, мають численні неточності і взагалі є «нерозумною витівкою»^[16].

Одним з перших визнав відкриття Гершеля П'єр Прево. Він вважав його вирішальним доказом аналогії між світловими і тепловими променями. «Різниця між проходженням світла і теплоти крізь тіла, — писав він, — не свідчать про відмінність або тотожність світла і теплоти».

Ідеї Гершеля були підтримані також англійським фізиком Томасом Юнгом, який вже в 1802 році висловив припущення про те, що світлові промені відрізняються від теплових лише частотою коливань. На його думку, відкриття Гершеля про менше заломлення невидимих променів у порівнянні з видимими виявилося найбільшим з часів Ісаака Ньютона.

Слідом за відкриттям Гершеля ціла плеяда дослідників почала шукати положення ділянки в спектрі, відповідного максимуму теплового ефекту. Серед них слід назвати Генрі Енглфілда^[en][17], Крістіана Вюнша^[en][18], Жака Етьєна Берара^[fr][19] і Бадена Павелла^[en][20][21]. Більшу ясність в суперечливі результати, отримані ними, вніс Томас Йоганн Зеєбек, показавши, що в призмах з флінтгласу такий максимум завжди виявляється за межами червоного краю спектра.

До 1830 року досліди Гершеля були повторені достатню кількість разів для того, щоб вважати остаточно встановленим факт існування невидимих променів, розташованих за червоною частиною видимого сонячного спектру. Ці промені згодом були названі французьким фізиком Едмоном Беккерелем^[fr] інфрачервоними^[22].

У подальшому, завдяки дослідженням Мачедоніо Меллоні^[en], Германа Кноблауха^[de], Іпполіта Фізо, Леона Фуко та інших вчених до середини XIX століття було остаточно визнано єдність природи світлових та інфрачервоних променів.

Поняття «промениста теплота» протрималося в літературі протягом усього XIX ст. Навіть у першій чверті XX ст. професор О. Д. Хвольсон вів боротьбу проти цього вкоріненого у підручниках фізики терміну як застарілого, яке не відповідає новітньому розвитку цієї науки. Правда, Хвольсон відмовлявся не лише від терміну «промениста теплота», а й від прийнятого в новітній літературі терміну «теплове випромінювання».

Див. також

• Інфрачервона спектроскопія
• Довгохвильовий обігрівач
• Інфрачервоний порт
• Інфрачервоний давач
• Інфрачервоне вікно в атмосфері

Виноски

1. Liew, S. C. Electromagnetic Waves. Centre for Remote Imaging, Sensing and Processing. Архів оригіналу за 4 травня 2015. Процитовано 27 жовтня 2006.
2. Why motion detectors react to animals and how to avoid it | Ajax Systems Blog. Ajax Systems (англ.). Архів оригіналу за 24 січня 2020. Процитовано 18 січня 2020.
3. Інфрачервоне проміння [Архівовано 1 травня 2017 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
4. Инфракрасное излучение // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
5. Прохоров П. М., Т.2, 1990.
6. Henderson, Roy. Wavelength considerations. Instituts für Umform- und Hochleistungs. Архів оригіналу за 28 жовтня 2007. Процитовано 18 жовтня 2007. [Архівовано 2007-10-28 у Wayback Machine.]
7. ISO 20473:2007. ISO. {{cite web}}: |access-date= вимагає |url= (довідка); Пропущений або порожній |url= (довідка)
8. IPAC Staff. Near, Mid and Far-Infrared. NASA ipac. Архів оригіналу за 28 травня 2013. Процитовано 4 квітня 2007. [Архівовано 2012-05-29 у Archive.is]
9. Miller, Principles of Infrared Technology (Van Nostrand Reinhold, 1992), and Miller and Friedman, Photonic Rules of Thumb, 2004. ISBN 978-0-442-01210-6
10. Тіт Лукрецій Кар. Про природу речей. / Пер. А. Содомори. — К.: Дніпро, 1988. 192 с.
11. Carl Wilhelm Scheele, Torbern Bergman. Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer [Архівовано 10 березня 2010 у Wayback Machine.]. — Upsala und Leipzig, Verlegt von Magn. Swederus, Buchhändler; zu finden bey S. L. Crusius. 1777.
12. Lambert, J.H. Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme, Berlin, 1779.
13. Pictet V. Essai sur le feu. — Genève, 1790.
14. Prevost P. Mémoire sur l'Equilibre du feu // J. de physicue, 1791, XXXVIII.
15. Криксунов Л. З., 1978, с. 7-8.
16. Leslie J. // Nickolson's Journal, 1801, 4
17. Englefield. J. of the Royal Institution, 1802,
18. Wünsch C.E. — Magazin der Geselschaft Nat. Fr. Z. Berlin, 1807
19. Bérard J. T. Mémoire sur les propriétés des différentes espèces de rayons // Mémoires de la Société d'Arcueil, Tome 3 (1817)/ — P. 1–47
20. Pawell B. A General and Elementary View of the Undulatory Theory, as Applied to the Dispersion of Light, and Some Other Subjects: Including the Substance of Several Papers, Printed in the Philosophical Transactions, and Other Journals [Архівовано 16 лютого 2018 у Wayback Machine.]. — J.W. Parker, 1841. — 131 p.
21. Powel B. // Annals of Philosophy, New Series, 1823, 5
22. Криксунов Л. З., 1978, с. 9.

Джерела

• Физическая энциклопедия. В 5-ти томах / А. М. Прохоров. — М. : Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — 704 с. — ISBN 5-85270-061-4.
• Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. — М. : Советское радио, 1978. — 400 с.

Посилання

• Інфрачервоне проміння // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 105. — ISBN 978-966-7407-83-4.
• ІНФРАЧЕРВО́НЕ ВИПРОМІ́НЮВАННЯ [Архівовано 23 квітня 2016 у Wayback Machine.] //Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001­–2024. — ISBN 966-02-2074-X.
• Інфрачервоне випромінювання. Історія відкриття [Архівовано 21 березня 2018 у Wayback Machine.] (Хронологія)