赤外線とその応用

波長 0.74 ミクロンから 2 mm の電磁放射は、物理学では赤外線放射または赤外線、略して「IR」と呼ばれます。それは、可視光放射 (赤色領域で発生) と短波無線周波数範囲の間にある電磁スペクトルの部分を占めます。

赤外線は実際には人間の目には光として認識されず、特定の色もありませんが、それでも光放射に属し、現代の技術で広く使用されています。

特徴的な赤外線は物体の表面を加熱するため、赤外線は熱放射とも呼ばれます。赤外領域全体は条件付きで 3 つの部分に分割されます。

• 遠赤外線領域 - 50 ～ 2000 ミクロンの波長。

• 中赤外領域 — 2.5 ～ 50 ミクロンの波長。

• 近赤外領域 — 0.74 ～ 2.5 ミクロン。

赤外線は 1800 年代に発見されました。イギリスの天文学者ウィリアム・ハーシェルによって、その後1802年にイギリスの科学者ウィリアム・ウォラストンによって独立して研究されました。

IRスペクトル

赤外線の形で得られる原子スペクトルは直線的です。凝縮物質スペクトル - 連続。分子スペクトルには縞模様が見られます。結論としては、赤外線の場合、電磁スペクトルの可視領域および紫外領域と比較して、反射係数、透過係数、屈折係数などの物質の光学特性が大きく異なるということです。

物質の多くは可視光を透過しますが、赤外線範囲の一部の波に対しては不透明であることが判明しています。

たとえば、厚さ数センチの水の層は 1 ミクロンより長い赤外線を通さず、条件によっては熱保護フィルターとして使用できます。また、ゲルマニウムやシリコンの層は可視光線は透過しませんが、特定の波長の赤外線はよく透過します。遠赤外線は黒い紙を透過しやすいため、遠赤外線を遮断するフィルターとして機能します。

アルミニウム、金、銀、銅などのほとんどの金属は、より長い波長の赤外線を反射します。たとえば、10 ミクロンの赤外線波長では、金属からの反射率は 98% に達します。非金属の固体および液体は、特定の物質の化学組成に応じて、IR 範囲の一部のみを反射します。赤外線とさまざまな媒体との相互作用のこれらの特徴により、赤外線は多くの研究で成功裏に使用されています。

赤外線散乱

太陽が発し、地球の大気を通過する赤外線波は、空気の分子や原子によって部分的に散乱され、減衰します。大気中の酸素と窒素は赤外線を部分的に弱め、散乱させますが、可視スペクトルの光線の一部を吸収するため、赤外線を完全には吸収しません。

大気中に含まれる水、二酸化炭素、オゾンは赤外線を部分的に吸収しますが、水は赤外線吸収スペクトルが赤外線スペクトルの全領域にあり、二酸化炭素の吸収スペクトルは中間領域にのみ含まれるため、最も多く吸収されます。 。

地球の表面に近い大気の層は、煙、塵、水によって赤外線がさらに減衰され、その粒子にエネルギーが散乱されるため、赤外線をほとんど透過しません。粒子 (煙、塵、水など) が小さければ小さいほど、 IR散乱が少なく、可視波長散乱が多くなります。この効果は赤外線写真で使用されます。

赤外線放射源

地球に住む私たちにとって、太陽は電磁スペクトルの半分が赤外線範囲にあるため、非常に強力な自然の赤外線放射源です。白熱灯では、赤外線スペクトルが放射エネルギーの最大 80% になります。

また、人工赤外線源には、アーク、ガス放電ランプ、そしてもちろん家庭用ヒーターなどの発熱体が含まれます。科学では、赤外線波を得るために、ネルンストピン、タングステンフィラメント、高圧水銀ランプ、さらには特殊な赤外線レーザーが使用されます（ネオジムガラスの波長は1.06ミクロン、ヘリウムネオンレーザーの波長は1.15ミクロンと3.39ミクロン）。ミクロン、二酸化炭素 - 10.6 ミクロン）。

IR受信機

赤外線受信機の動作原理は、入射放射線のエネルギーを、測定および使用に利用できる他の形式のエネルギーに変換することに基づいています。受光器で吸収された赤外線が感熱素子を加熱し、温度上昇が記録されます。

光電 IR 受信機は、動作するように設計された IR スペクトルの特定の狭い部分に応答して電圧と電流を生成します。つまり、IR 光電受信機は選択的です。最大 1.2 μm の範囲の IR 波の場合、特殊な写真乳剤を使用して写真レジストレーションが実行されます。

赤外線は科学技術、特に実際の研究問題を解決するために広く使用されています。赤外領域に属する分子および固体の吸収および発光スペクトルが研究されます。

この研究アプローチは赤外分光法と呼ばれ、定量的および定性的なスペクトル分析を実行することで構造問題を解決できます。遠赤外線領域には、原子サブプレーン間の遷移によって引き起こされる放射が含まれます。 IR スペクトルのおかげで、原子の電子殻の構造を研究できます。

これは写真のことは言うまでもありませんが、同じ物体を最初に可視領域で撮影し、次に赤外線領域で撮影した場合、異なるように見えます。これは、電磁スペクトルの異なる領域の透過、散乱、反射の違いにより、一部の要素や詳細が異なるためです。通常の写真では何かが欠けていますが、赤外線写真ではそれが見えるようになります。

産業および消費者による赤外線放射の用途を過小評価することはできません。工業用のさまざまな製品や材料の乾燥や加熱に使用されます。住宅では敷地内が暖房されています。

電気光学トランスデューサは、電磁スペクトルの赤外領域で感度の高い光電陰極を使用しており、肉眼では見えないものを見ることができます。

暗視装置を使用すると、物体に赤外線を照射するため、暗闇でも見ることができます。赤外線双眼鏡 - 夜間観察用、赤外線照準器 - 完全な暗闇で照準を合わせるためなどです。ところで、赤外線の助けを借りて、あなたは正確なメーター規格を再現できます。

IR 波の高感度受信機により、熱放射によってさまざまな物体の方向を決定できます。たとえば、ミサイル誘導システムは機能し、さらに独自の IR 放射を生成します。

赤外線に基づく距離計とロケータを使用すると、暗闇の中で一部の物体を観察し、それらの物体までの距離を高精度で測定できます。 IR レーザーは、科学研究、大気調査、宇宙通信などに使用されます。