Infracrveno zračenje

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Slika psa u srednjem ("termalnom") infracrvenom području (temperatura je prikazana bojom)
[β – Slikarski stalak viđena u infracrvenom spektru

Infracrveno zračenje ili infracrvena svjetlost (lat. infra = "ispod"; kratica IR od eng. infrared) obuhvaća elektromagnetsko zračenje s valnim duljinama većim od valne duljine vidljive crvene svjetlosti, a manjim od valne duljine radiovalova. To je raspon od približno 750 nm do 3 mm, odnosno od 4,5*1014 do 1012 Hz. Raspon energije koju prenose keće se od 4,7 do 0,01 eV. Ime dolazi od latinske riječi infra, što znači ispod – obuhvaća valne duljine ispod crvenog svjetla. [1]

Te valove emitiraju zagrijana tijela i neke molekule kada se nađu u pobuđenom stanju. Dobro ih apsorbiraju većina tvari pri čemu se energija infracrvenog zračenja pretvara u unutarnju energiju što rezultira porastom temperature. Sunčeva svjetlost omogućuje otprilike snagu zračenja od 1004 W po kvadratnom metru; od toga na infracrveno zračenje otpada 527 W, 445 W na vidljivu svjetlost i 32 W na ultraljubičasto zračenje. [2]

Pregled[uredi VE | uredi]

Infracrvena termografija ili termalno snimanje se dosta koristi u vojne i civilne svrhe. Vojna primjena uključuje za aktivno otkrivanje ciljeva u mraku, praćenje i otkrivanje neprijatelja, te za praćenje ciljeva na projektilima. Civilne primjene uključuju proučavanje stupnja termičkog iskorištenja objekata, daljinsko mjerenje temperature, bliske bezžične komunikacije, spektroskopiju i vremensku prognozu. Infracrvena astronomija koristi teleskope s IC osjetilima za otkrivanje područja koja su prekrivena prašinom, kao što su molekularni oblaci, za otkrivanje planeta i za gledanje objekata s velikim crvenim pomakom, koji potječu iz vremena nastajanja svemira. [3]

Ljudsko tijelo normalno zrači s valnim duljinama otprilike 12 μm, kao što se može izračunati iz Wienovog zakona pomaka.

Spektroskopija infracrvenog zračenja (IR spektroskopija) koristi infracrveno zračenje kao medij proučavanja , koje emitiraju molekule zahvaljujući svojim vibracijama. Apsorbiranjem infracrvenog zračenja molekulske vibracije se pobuđuju, pa molekule počinju jače vibrirati. Zbog toga se infracrvena spektroskopija, zajedno s ramanovom spektroskopijom zove vibracijska spektroskopija. Slobodni atomi ne emitiraju infracrveno zračenje. Svaka molekula ima karakteristične vibracije, koje ovise o čvrstoćama veza i masama dijelova molekula koje vibriraju. [4]

Različita područja infracrvenog zračenja[uredi VE | uredi]

Crtež atmosferske prozirnosti u dijelu infracrvenog zračenja
Snop optičkih vlakana
Uređaj za noćno gledanje
Silikonska pločica s poliranjem kao ogledalo

Infracrveno zračenje obuhvaća širok raspon elektromagnetskog zračenja, a kako osjetila pokrivaju samo određena područja IC spektra, postoje razne podjele koje detaljnije određuju područja.

Podjela prema CIE[uredi VE | uredi]

Međunarodna komisija za rasvjetu (CIE – franc. Commission internationale de l'éclairage) dijeli infracrveno zračenje u 3 područja: [5]

  • IC – A: 700 nm–1400 nm (0,7 µm – 1,4 µm)
  • IC – B: 1400 nm–3000 nm (1,4 µm – 3 µm)
  • IC – C: 3000 nm–1 mm (3 µm – 1000 µm)

Ipak, najčešće se infracrveno zračenje dijele na 5 područja: [6]

  • Blisko infracrveno područje: (0,7 µm – 1,4 µm), to je područje određeno s apsorpcijom vodene pare. Obično se koristi za optička vlakna u telekomunikacijama, zbog malih gubitaka prigušenja silicijevog dioksida (SiO2). Za aktivno otkrivanje ciljeva u mraku, ovo je područje vrlo osjetljivo i koriste za naočale za noćno promatranje.
  • Kratkovalno infracrveno područje: (1,4 µm – 3 µm), to je područje gdje se apsorpcija vodene pare jako povećava, na valnoj duljini 1450 nm. Područje od 1530 do 1560 nm je vrlo važno područje za telekomunikacije na velikim udaljenostima.
  • Srednjevalno infracrveno područje: (3 µm – 8 µm), to je područje značajno što ima “atmosferski prozor” ili područje u kojem niti jedan staklenički plin ne upija Sunčevo toplinsko zračenje.
  • Dugovalno infracrveno područje: (8 µm – 15 µm), to je područje “termalnog snimanja”, gdje se mogu dobiti najbolje IC slike, kada nema svjetlosti Sunca ili mjeseca.
  • Daleko infracrveno područje: (15 µm – 1000 µm), to je područje značajno za daleki infracrveni laser.

Podjela prema ISO 20473[uredi VE | uredi]

Međunarodna organizacija za standardizaciju u svom standard ISO 20473 dijeli infracrveno zračenje dijele na 3 područja: [7]

Oznaka Kratica Valna duljina
Blisko infracrveno područje NIR 0,78 - 3  µm
Srednje infracrveno područje MIR 3 - 50  µm
Daleko infracrveno područje FIR 50 - 1000  µm

Astronomska podjela infracrvenog zračenja[uredi VE | uredi]

Astronomi dijeli infracrveno zračenje dijele na 3 područja: [8]

Oznaka Kratica Valna duljina
Blisko infracrveno područje NIR (0,7-1) do 5 µm
Srednje infracrveno područje MIR 5 do (25-40) µm
Daleko infracrveno područje FIR (25-40) do (200-350) µm.
Podmilimetarsko infracr. područje THz 100 do 1000 µm (1 mm).

Podjela prema elektronskim osjetilima[uredi VE | uredi]

Infracrveno zračenje se može podijeliti prema raznim elektronskim osjetilima, koji imaju odziv u tim područjima: [9]

  • Blisko infracrveno područje: (0,7 µm – 1,0 µm), to je područje od kraja osjeta ljudskog oka do odziva silicija.
  • Kratkovalno infracrveno područje: (1,0 µm – 3 µm), to je područje od odziva silicija do područja “atmosferskog prozora”. To područje pokriva poluvodič InGaAs na valnoj duljini oko 1,8 µm, a manje su osjetljive olovne soli.
  • Srednjevalno infracrveno područje: (3 µm – 5 µm), to je područje “atmosferskog prozora”, i pokrivaju ga poluvodiči InSb, HgCdTe i djelomično PbSe.
  • Dugovalno infracrveno područje: (8 µm – 12 µm ili 7 µm – 14 µm), pokrivaju ga poluvodiči HgCdTe i mikrobolometri.
  • Vrlo dugovalno infracrveno područje: (12 µm – 30 µm), pokriva ga silicij s primjesama.

Podjela prema telekomunikacijskim područjima[uredi VE | uredi]

Infracrveno zračenje se dijeli u komunikacijama s optičkim vlaknima u 7 pojaseva: [10]

Pojas Opis Raspon valnih duljina
O pojas Izvorni 1260–1360 nm
E pojas Prošireni 1360–1460 nm
S pojas Kratkovalni 1460–1530 nm
C pojas Osnovni 1530–1565 nm
L pojas Dugovalni 1565–1625 nm
U pojas Jako dugovalni 1625–1675 nm

C – pojas prevladava za telekomunikacijske mreže na velike udaljenosti.

Toplinsko zračenje[uredi VE | uredi]

Infracrveno zračenje se često naziva “toplinsko zračenje”, budući da mnogi vjeruju da toplina dolazi od IC zračenja. Ali to je zabluda, budući i da ostalo elektromagnetsko zračenje, čak i vidljiva svjetlost, griju površine, koje ga upijaju. Infracrveno zračenje sa Sunca doprinosi oko 49% zagrijavanju Zemlje, dok ostalo je u vidljivom dijelu spektra i manji dio, oko 3% u ultraljubičastom dijelu spektra. Objekti koji imaju sobnu temperaturu, zrače u IC području, uglavnom od 8 do 25 µm valne duljine. [11]

Toplina je energija koja će ostvariti prijenos topline, ako postoji razlika temperatura. Toplina se može prenijeti kondukcijom topline ili provodljivošću, konvekcijom ili prenošenjem topline, i elektromagnetskim zračenjem, a to je jedini način kako se može prenijeti toplina u vakuumu.

Human-Visible.jpg
Human-Infrared.jpg
Glavnina ljudskog elektromagnetskog zračenja je u području infracrvenog zračenja. Neki su materijali prozirni za infracrveno zračenje, ali neprozirni za vidljivu svjetlost, kao plastična crna vrećica. Neki su materijali prozirni za vidljivu svjetlost, ali neprozirni i odbijaju infracrveno zračenje, kao staklo na naočalima.

Pojam emisivnosti je vrlo važan za razumijevanje infracrvenog zračenja nekog objekta. To svojstvo materije uspoređuje toplinsko zračenje nekog objekta s toplinskim zračenjem idealnog crnog tijela. Drugim riječima, dva objekta koja imaju istu temperaturu, neće se pojaviti s jednakim intenzitetom na termalnoj slici; onaj koji ima veću emisivnost, će biti intenzivniji. [12]

Primjena[uredi VE | uredi]

Noćno gledanje[uredi VE | uredi]

Uređaji s noćno gledanje nam služe kada nemamo dovoljno svjetla za normalno gledanje. Ovi uređaji rade postupkom pretvaranja svjetlosnih fotona u elektrone, koji se zatim pojačavaju, kemijskim ili električnim postupcima, i zatim ponovo pretvaraju natrag u vidljive fotone. Noćno gledanje ne treba miješati s infracrvenom termografijom, koja stvara slike na osnovi razlike temperature različitih objekata. [13]

Infracrvenom termografijom[uredi VE | uredi]

Infracrvena termografija, termalno snimanje, termografsko snimanje, ili termalni video, je tip znanosti infracrvenog snimanja. Termografske kamere opažaju zračenje u infracrvenom pojasu elektromagnetskog spektra (ugrubo 0,9-14 μm) i stvaraju snimke tog zračenja koje nazivamo termogramima. Kako infracrveno zračenje emitiraju sva tijela ovisno o njihovoj temperaturi, prema zakonu zračenja crnog tijela, termografija omogućava „gledanje“ okoline bez vidljivog osvjetljenja. Količina zračenja se povećava s temperaturom, stoga termografija omogućava da vidimo promjene temperature (otuda i ime termografija). Gledani termografskom kamerom, topli predmeti se dobro ističu u odnosu na hladniju pozadinu; ljudi i druge toplokrvne životinje postaju lako vidljivi u odnosu na okoliš, danju i noću. S toga ne čudi da se široka upotreba termografije povijesno veže uz vojsku i uz službe osiguranja.

Ostale vrste slikanja[uredi VE | uredi]

Infracrvena fotografija, infracrveni filteri služe da se uslikaju slike u bliskom infracrvenom području. Digitalni fotoaparati koriste često infracrvene “blokere”, dok jeftiniji digitalni fotoaparati i kamere na mobilnim telefonima, “vide” sjajne ljubičasto-bijele mrlje u bliskom infracrvenom području. Novija tehnologija, koja je još u razvoju, je slikanje u području valne duljine terahertz.

Infracrvena grijalica

Navođenje projektila[uredi VE | uredi]

Navođenje projektila koristi elektromagnetsko zračenje u infracrvenom području za praćenje ciljeva i uništavanje. U 25 godina ratovanja, 90% vojnih gubitaka SAD u opremi je bilo zbog projektila s infracrvenim navođenjem. [14]

Grijanje[uredi VE | uredi]

Infracrveno zračenje se može koristiti i za grijanje. Na primjer, koristi se često u saunama, gdje se postavljaju infracrvene grijalice. Koristi se i za odleđivanje krila zrakoplova, kada treba ukloniti led prije polijetanja. U zadnje vrijeme se koristi i u terapijama grijanjem. Infracrveno zračenje se koristi i za kuhanje i pripremanje hrane.

Infracrveno zračenje ima i industrijsku primjenu, kao za sušenje premaza boje, oblikovanje plastika, žarenje, zavarivanje plastike. Najbolji rezultati se postižu kada grijači imaju valnu duljinu istu kao i apsorpcione linije materijala, koji se grije.

Komunikacije[uredi VE | uredi]

Infracrveni prijenos podataka se koristi na malim udaljenostima između računala i osobnih digitalnih pomoćnih uređaja. Daljinsko upravljanje koristi infracrvene svjetleće diode, da bi emitirale infracrveno zračenje, koje je sabijeno u žarište s plastičnim lećama, da bi se dobila uska zraka. Zraka se modulira, gasi i pali, da bi se podaci kodirali. Prijemnik koristi silicijevu fotodiodu, da bi pretvorio infracrveno zračenje u električnu struju. Infracrveno zračenje ne prolazi kroz zidove, i ne ometa uređaje u drugim prostorijama.

Ponekad se umjesto ukopavanja optičkih vlakana za prijenos podataka, koriste infracrveni laseri, pogotovo u gusto naseljenim mjestima. Infracrveni laseri se mogu koristiti i za prijenos podataka kroz optička vlakna, pogotovo na valnim duljinama 1 330 nm ili 1 550 nm, jer je to najbolji izbor za silicijev dioksidna optička vlakna.

Spektroskopija[uredi VE | uredi]

Spektroskopija infracrvenog zračenja (IR spektroskopija) koristi infracrveno zračenje kao medij proučavanja , koje emitiraju molekule zahvaljujući svojim vibracijama. Apsorbiranjem infracrvenog zračenja molekulske vibracije se pobuđuju, pa molekule počinju jače vibrirati. Zbog toga se infracrvena spektroskopija, zajedno s ramanovom spektroskopijom zove vibracijska spektroskopija. Slobodni atomi ne emitiraju infracrveno zračenje. Svaka molekula ima karakteristične vibracije, koje ovise o čvrstoćama veza i masama dijelova molekula koje vibriraju. Ta činjenica daje infracrvenoj spektroskopiji velike analitičke mogućnosti jer je moguće odrediti od kojih se funkcionalnih skupina molekula sastoji. Kako svaka molekula ima različiti infracrveni spektar, infracrvena spektroskopija se koristi pri identifikaciji tvari. Kako je toplinska energija molekula veća od energije vibracija, infracrveno zračenje emitiraju objekti zahvaljujći svojoj toplinskoj energiji. Valna duljina emitiranog zračenja ovisi o temperaturi prema zakonu crnog tijela.

Meteorologija[uredi VE | uredi]

Meteorološki sateliti, opremljeni s radiometrima, stvaraju toplinske i infracrvene slike, na kojima uvježbani meteorolog može odrediti vrstu i visinu oblaka, temperature vodenih površina i zemlje i da odredi promjene u oceanima. Radiometri rade uglavnom u području od 10,3 do 12,5 µm.

Klimatologija[uredi VE | uredi]

Za klimatologiju, promatraju se atmosfersko infracrveno zračenje, da bi se otkrila izmjena energije između Zemlje i atmosfere. Koristi se i u procjeni globalnog zatopljenja i Sunčevog toplinskog zračenja. Pirgometar je instrument koji radi u području od 4,5 do 100 μm i njime se posmatraju zračenja oblaka, CO2 i drugih stakleničkih plinova. Mjeri s površine Zemlje u atmosferu. Sadrži termoelektrični detektor zastićenim s filterom, prozirnim za velike valne duljine, dok ne propušta vidljivi dio spektra (“silicijski prozor”).

Astronomija[uredi VE | uredi]

Astronomi promatraju svemirske objekte u infracrvenom području elektromagnetskog spektra, sa svim dijelovima za optičke teleskope, uključujući ogledala, leće i detektore. Zbog toga se obično svrstava kao dio optičke astronomije. Da bi dobili slike u infracrvenom spektru, dijelove trebaju biti pažljivo zastićeni, a detektori se obično hlade s tekućim helijem.

Osjetljivost infracrvenih teleskopa na Zemlji je znatno ograničena zbog vodene pare u atmosferi, koja upija dio infracrvenog spektra, koji dolazi iz svemira, osim u područjima “atmosferskih prozora”. Zbog toga je bolje infracrvene teleskope smjestiti na velike nadmorske vine, postaviti ih u balone na vrući zrak ili u avione.

Infracrveni teleskopi su korisni za astronome, jer hladni i tamni molekularni oblaci plina i prašine zamagljuju pogled na mnoge zvijezde. Infracrveni teleskopi se isto koriste za promatranje protozvijezda, prije nego počnu emitirati vidljivu svjetlost. Budući da zvijezde vrlo malo emitiraju u infracrvenom području, moguće je otkriti reflektiranu svjetlost s planeta.

Infracrveni teleskopi se koriste i za promatranje jezgri aktivnih galaksija, koje su obično zamagljene plinovima i prašinom. Daleke galaksije s crvenim pomakom, imaju dio spektra pomaknut na veće valne duljine, tako da se najbolje vide u infracrvenom području.

Povijest umjetnosti[uredi VE | uredi]

Infracrveni reflektogrami, kako ih nazivaju povjesničari umjetnosti, služe za otkrivanje skrivenih slojeve boje na umjetničkim slikama. To im služi da otkriju da li je slika original ili kopija, ili ako je slika izmijenjena s restauratorskim radovima. Infracrveni uređaji su korisni i kod otkrivanja starih spisa, kao što su “Svitci s Mrtvog mora” ili spisi pronađeni u Mogao špilji.

Biološki sistemi[uredi VE | uredi]

Postoje životinje koje imaju osjetila za infracrveno zračenje, kao što su zmije jamičarke, kržljonoške, vampirski šišmiši, razni kornjaši, neki leptiri i bube.

Zaštita na radu[uredi VE | uredi]

U nekim industrijama, postoji opasnost od utjecaja infracrvenog zračenja na oči i vid, i zato je potrebno nositi zaštitne naočale s IC filterima.

Zemlja i infracrveno zračenje[uredi VE | uredi]

Zemljina površina i oblaci upijaju vidljivo i nevidljivo zračenje sa Sunca i ponovno emitiraju veliki dio energije u infracrvenom dijelu spektra, nazad u atmosferu. Neke čestice u atmosferi, uglavnom kapljice vode i vodene pare, ali i ugljikov dioksid, metan, dušični oksid, sumporov heksafluorid i klorfluorugljik (CFC), upijaju taj dio infracrvenog zračenja i ponovno ih zrače u svim smjerovima na Zemlju. Na taj način, efekt staklenika grije atmosferu i površinu Zemlje, na veće temperature, nego da nema infracrvenog zračenja.

Povijest[uredi VE | uredi]

Otkriće infracrvenog zračenja se pripisuje Wilhelmu Herschelu, astronomu iz 19. stoljeća, koji je objavio rad vezan za infracrveno zračenje 1800. Koristio je prizmu da bi stvorio lom ili refrakciju svjetlosti sa Sunca i otkrio je povećanje temperature na termometru, u nevidljivom dijelu infracrvenog područja. Bio je iznenađen i nove zrake je nazvao “toplinske” zrake.

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Dr. S. C. Liew [1] "Electromagnetic Waves", publisher=Centre for Remote Imaging, Sensing and Processing, 2006.
  2. [2] "Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5", 2009.
  3. [3] "IR Astronomy: Overview", publisher=NASA Infrared Astronomy and Processing Center, 2006.
  4. Reusch William, 1999. [4] "Infrared Spectroscopy", publisher=Michigan State University, 2006.
  5. Henderson Roy, [5] "Wavelength considerations", publisher=Instituts für Umform- und Hochleistungs, 2007. [6]
  6. Byrnes James: "Unexploded Ordnance Detection and Mitigation", publisher=Springer, 2009.
  7. "ISO 20473:2007", publisher= ISO, 2007.
  8. IPAC Staff: [7] "Near, Mid and Far-Infrared", publisher=NASA ipac, 2007.
  9. Miller; Principles of Infrared Technology, Van Nostrand Reinhold, 1992.
  10. Ramaswami Rajiv, 2002. [8] "Optical Fiber Communication: From Transmission to Networking", publisher=IEEE, 2006.
  11. "Introduction to Solar Energy", publisher=Rodale Press, Inc., 1980. [9]
  12. McCreary Jeremy, 2004. [10] "Infrared (IR) basics for digital photographers-capturing the unseen", publisher=Digital Photography For What It's Worth
  13. Bryant Lynn: "How does thermal imaging work? A closer look at what is behind this remarkable technology", 2007. [11]
  14. Mahulikar, S.P., Sonawane, H.R., & Rao, G.A.: (2007) "Infrared signature studies of aerospace vehicles", Progress in Aerospace Sciences