Infrapunasäteily (IR) tai infrapunavalo on eräänlainen säteilevä energia, joka ei ole ihmisen silmille näkyvä, mutta jonka voimme tuntea kuumuutena. Kaikki maailmankaikkeuden esineet lähettävät jonkin verran IR-säteilyä, mutta kaksi ilmeisimmistä lähteistä on aurinko ja tuli.
IR on eräänlainen sähkömagneettinen säteily, taajuuksien jatkuvuus, joka syntyy, kun atomit absorboivat ja sitten vapauttavat energiaa. Suurimmasta matalampaan taajuuteen sähkömagneettinen säteily sisältää gammasäteitä, röntgensäteitä, ultraviolettiäteilyä, näkyvää valoa, infrapunasäteilyä, mikroaaltoja ja radioaaltoja. Yhdessä nämä säteilytyypit muodostavat sähkömagneettisen spektrin.
Brittiläinen tähtitieteilijä William Herschel löysi infrapunavalon vuonna 1800, NASA: n mukaan. Kokeessa, jolla mitattiin lämpötilan eroa näkyvän spektrin värien välillä, hän asetti lämpömittarit valopolulle näkyvän spektrin jokaisen värin väliin. Hän havaitsi lämpötilan nousun sinisestä punaiseksi ja löysi vielä lämpimämmän lämpötilan mittauksen näkyvän spektrin punaisen pään taakse.
Sähkömagneettisessa spektrissä infrapuna-aaltoja esiintyy taajuuksilla, jotka ovat suurempia kuin mikroaaltojen taajuudet ja juuri punaisen näkyvän valon taajuuksilla, tästä nimestä "infrapuna". Infrapunasäteilyn aallot ovat pidempiä kuin näkyvä valo, Kalifornian teknillisen instituutin (Caltech) mukaan. IR-taajuudet ovat välillä noin 3 gigahertsiä (GHz) - noin 400 terahertsiä (THz), ja aallonpituuksien arvioidaan olevan välillä 1000 mikrometriä (µm) - 760 nanometriä (2.9921 tuumaa), vaikka nämä arvot eivät ole lopullisia, NASA: n mukaan.
Samalla tavoin kuin näkyvän valon spektrillä, joka vaihtelee violetista (lyhyin näkyvän valon aallonpituus) punaiseen (pisin aallonpituus), infrapunasäteilyllä on oma aallonpituusalue. Lyhyemmät "lähi-infrapuna" aallot, jotka ovat lähempänä näkyvää valoa sähkömagneettisella spektrillä, eivät lähetä havaittavaa lämpöä ja ne purkautuvat television kaukosäätimestä kanavien vaihtamiseksi. NASA: n mukaan pidemmät "kauko-infrapuna" -aallot, jotka ovat lähempänä sähkömagneettisen spektrin mikroaaltosuhdetta, voivat kokea voimakkaana kuumuutena, kuten auringonvalon tai tulen aiheuttama lämpö.
IR-säteily on yksi kolmesta tapaa, jolla lämpö siirtyy paikasta toiseen, kaksi muuta ovat konvektiota ja johtavuutta. Kaikki, joiden lämpötila on yli 5 celsiusastetta (miinus 450 Fahrenheit-astetta tai miinus 268 celsiusastetta), emittoi IR-säteilyä. Tennessee-yliopiston mukaan aurinko antaa puolet kokonaisenergiastaan IR: na, ja suuri osa tähden näkyvästä valosta absorboituu ja säteilee IR: nä.
Kotitalouskäytöt
Kodinkoneet, kuten lämpölamput ja leivänpaahtimet, käyttävät IR-säteilyä lämmön siirtämiseen, samoin kuin teollisuuslämmittimet, kuten esimerkiksi materiaalien kuivaukseen ja kovettamiseen käytettävät. Ympäristönsuojeluviraston mukaan hehkulamput muuntavat vain noin 10 prosenttia sähköenergiansa tuloksesta näkyvän valon energiaksi, kun taas muut 90 prosenttia muuttuvat infrapunasäteilyksi.
Infrapunalasereita voidaan käyttää tiedonsiirtoon pisteestä pisteeseen muutaman sadan metrin tai pihan etäisyydellä. Infrapunasäteilyyn perustuvat television kaukosäätimet ammuttavat IR-energian pulssit valoa emittoivasta diodista (TV) television IR-vastaanottimeen, How Stuff Works -tapahtuman mukaan. Vastaanotin muuntaa valopulssit sähköisiksi signaaleiksi, jotka ohjaavat mikroprosessoria suorittamaan ohjelmoidun komennon.
Infrapuna-anturit
Yksi IR-spektrin hyödyllisimmistä sovelluksista on havaitseminen ja havaitseminen. Kaikki maapallon esineet lähettävät IR-säteilyä lämmön muodossa. Tämä voidaan havaita elektronisilla antureilla, kuten sellaisilla, joita käytetään yönäkölasissa ja infrapunakameroissa.
Yksinkertainen esimerkki tällaisesta anturista on bolometri, joka koostuu teleskoopista, jonka polttopisteessä on lämpöherkkä vastus tai termistori, Kalifornian yliopiston Berkeleyn (UCB) mukaan. Jos lämmin runko tulee tämän instrumentin näkökenttään, lämpö aiheuttaa havaittavissa olevan muutoksen termistorin jännitteessä.
Yökamerakamerat käyttävät hienostuneempaa versiota bolometristä. Nämä kamerat sisältävät tyypillisesti latauskytkettyjen laitteiden (CCD) kuvantamispiirit, jotka ovat herkkiä IR-valolle. CCD: n muodostama kuva voidaan sitten toistaa näkyvässä valossa. Nämä järjestelmät voidaan tehdä riittävän pieniksi käytettäväksi kädessä pidettävissä laitteissa tai puettavissa yönäkölaseissa. Kameroita voidaan käyttää myös aseiden nähtävyyksiin, joissa on tai ei ole lisätty IR-laseria kohdistamiseen.
Infrapunaspektroskopia mittaa materiaalien IR-päästöjä tietyillä aallonpituuksilla. Aineen IR-spektri osoittaa ominaisia putoamisia ja piikkejä, kun elektronit absorboivat tai emittoivat fotoneja (valon hiukkasia) molekyyleissä, kun elektronit siirtyvät kiertoratojen tai energiatasojen välillä. Tätä spektroskooppista tietoa voidaan sitten käyttää aineiden tunnistamiseen ja kemiallisten reaktioiden seuraamiseen.
Missourin osavaltion yliopiston fysiikan professori Robert Mayanovicin mukaan infrapunaspektroskopia, kuten Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopia (FTIR), on erittäin hyödyllinen lukuisissa tieteellisissä sovelluksissa. Näihin sisältyy molekyylijärjestelmien ja 2D-materiaalien, kuten grafeenin, tutkiminen.
Infrapuna tähtitiede
Caltech kuvaa infrapunatähtitiedettä "maailmankaikkeuden esineiden lähettämän infrapunasäteilyn (lämpöenergian) havaitsemiseksi ja tutkimiseksi". IR CCD-kuvantamisjärjestelmien edistyminen on mahdollistanut tarkan tarkkailun IR-lähteiden jakautumisesta avaruudessa, paljastanut monimutkaisia rakenteita piiloissa, galakseissa ja maailmankaikkeuden laaja-alaisen rakenteen.
Yksi IR-havainnon eduista on, että se pystyy havaitsemaan kohteita, jotka ovat liian viileitä säteilevän näkyvää valoa. Tämä on johtanut aiemmin tuntemattomien esineiden löytämiseen, mukaan lukien komeetat, asteroidit ja viisaat tähtienväliset pölypilvet, jotka näyttävät olevan yleisiä kaikkialla galaksissa.
IR-tähtitiede on erityisen hyödyllinen tarkkailemalla kylmiä kaasumolekyylejä ja määrittämällä pölyhiukkasten kemiallinen rakenne tähteiden välisessä väliaineessa, sanoi Missourin osavaltion yliopiston tähtitieteen professori Robert Patterson. Nämä havainnot suoritetaan käyttämällä erikoistuneita CCD-ilmaisimia, jotka ovat herkkiä IR-fotoneille.
Toinen IR-säteilyn etu on, että sen pidempi aallonpituus tarkoittaa, että se ei sirota niin paljon kuin näkyvä valo, NASA: n mukaan. Vaikka näkyvä valo voi absorboida tai heijastaa kaasu- ja pölyhiukkasia, pidemmät IR-aallot vain kiertävät näitä pieniä esteitä. Tämän ominaisuuden takia IR: tä voidaan käyttää tarkkailemaan esineitä, joiden valo peittää kaasun ja pölyn. Tällaisia esineitä ovat äskettäin muodostuvat tähdet, jotka ovat upotettu porukkoihin tai Maan galaksin keskipisteeseen.
Live Science -julkaisija Traci Pedersen päivitti tämän artikkelin 27. helmikuuta 2019.
