Infraraudonųjų spindulių prigimtis

Kategorija: Infraraudonieji spinduliai Patalpinimo data: 2014-10-01 Peržiūrų: 1302 Komentarų: 0

Pirmoji mokslinė šviesos teorija buvo sukurta tik XVII amžiaus antrojoje pusėje, kada 1800 metais V. Heršelis aptiko nematomuosius spindulius, tirdamas šio spektro šiluminį poveikį.

Jis netikėtai pastebėjo, kad termometras rodo aukščiausią temperatūrą ten, kur pasibaigia raudonoji spalva. Taip paaiškėjo, kad Saulė šilumą ir šviesą skleidžia ne tais pačiais spinduliais. Šiluminiai spinduliai- nematomi. Jie buvo pavadinti infraraudonaisiais, pažymint jų vietą šviesos spektre („ infra ” lot. reiškia „ po”). Šie spinduliai turi visas matomosios šviesos savybes ( analogiškus sklidimo, atspindžio, lūžio, difrakcijos ir interferencijos dėsnius) ir skiriasi tik bangų ilgiu.

 Infraraudonieji spinduliai įdomūs pirmiausia tuo, kad juose užšifruotos žinios apie smulkiausias molekulių sandaros ypatybes. Antra, jie yra mus supančio pasaulio šiluminiai spinduliai, skleidžiami kūnų, kurių temperatūra yra nuo 4 iki 3000 K. Infraspindulius skleidžia Saulė, žvaigždės, Žemė ir jos atmosfera, žmogaus sukurti įvairūs varikliai ir inžineriniai įrenginiai, pagaliau, augalai ir gyvūnai. Žmogus, pasitelkęs infraraudonuosius spindulius, analizuoja sudėtingiausių organinių junginių sandarą, sugeba matyti tamsoje, gali pasiekti aukštą darbo našumą pramonėje.

INFRARAUDONŲJŲ SPINDULIŲ ŠALTINIAI

Saulės spektre yra 46,5% infraraudonųjų spindulių. Šie spinduliai sukūrė ir maitina gyvybę Žemėje, išjudina didįjį medžiagų apykaitos ratą gamtoje, sukelia vėjus ir vandens cirkuliaciją, formuoja žemės paviršių.
Šiuo metu pagrindiniai infraspindulių šaltiniai naudoja dujas arba elektros energiją. Kad degimo metu išskiriama energija būtų kuo efektyviau išnaudojama, konstruojami specialūs spinduoliai. Čia dujų ir oro mišinys įkaista, eidamas per keramikinių plytelių skylutes, ir sudega virš jų. 70% spindulių srauto sudaro infraraudonieji spinduliai. Jų maksimalus  intensyvumas yra ties 3u bangos ilgiu.
Galingus infraspindulių srautus duoda elektros lempos, kurių volframinės spiralės įkaitinamos ne daugiau kaip iki 2600 K.Tuomet matomajai spektro daliai išnaudojama tik 3% energijos. Šių lempų balionai paprastai daromi iš kvarco, kuris praleidžia spindulius iki 4u. Įkaitęs nuo spiralės kvarcas taip pat tampa infraspindulių šaltiniu. Kad lemputė ilgiau tarnautų, jos ertmė užpildoma inertinių dujų (ksenono ar argono) ir jodo mišiniu.
Liuminescencija- dar vienas būdas infraspinduliams gauti. Tai medžiagų spinduliavimas, kurį sukelia koks nors išorinis energijos šaltinis. Cheminė, mechaninė ar elektros energija čia tiesiog paverčiama šviesa. Liuminescenciniai šaltiniai yra selektyvūs (spinduliuoja tik tam tikrų dažnių bangas), o jų skleidžiamų spindulių dažniai priklauso nuo medžiagos prigimties.
Moderniausias infraspindulių šaltinis yra lazeris. Jis spinduliuoja labai siaurą, nepaprastai intensyvų ir tik vieno bangos ilgio šviesos pluoštelį. Lazerį sudaro rezonatoriuje (tarp dviejų veidrodžių) patalpinta aktyvi medžiaga (stiklai su retųjų žemių, neodimo ar disprozio, priemaišomis, dujos CO2, CO, He+ Ne,puslaidininkis galio arsenidas), kurios molekules į aukštesnę energinę būseną sužadina pagalbinio šaltinio šviesa. Ši būsena nėra ilgalaikė: greitai prasideda savaiminis spinduliavimas.

KAIP PAMATYTI „NEMATOMUOSIUS”

Remiantis daugelio fizikos ir technikos šakų pasiekimais, konstruojami įvairūs infraraudonuoju spindulių davikliai. Šiuose prietaisuose elektromagnetinė spinduliavimo energija paverčiama kitomis energijos rūšimis, kurias lengva matuoti: šilumine, elektros ar mechanine energija.
Infraspindulių davikliai skirstomi į šiluminius ir fotoelektrinius. Šiluminiuose prietaisuose  infraspinduliai pakelia temperatūrą. Šie davikliai reaguoja į visą krintančią spindulinę  energiją, nepriklausomai nuo jos bangų ilgio, todėl yra neselektyvūs. Fotoelektrinių daviklių veikimas pagrįstas vidinio fotoefekto reiškiniu. Jie yra jautrūs tik tam tikrai spektro daliai.
Absorbcinis daviklis dirba įdomaus fizikinio reiškinio- puslaidininkinės medžiagos skaidrumo priklausomybės nuo temperatūros- pagrindu. Į uždarą kamerą įdedama plona puslaidininkio, pavyzdžiui, seleno plokštelė ir apšviečiama infraspinduliais. Jos skaidrumą „tikrina” pagalbinio šaltinio spindulių pluoštelis, kurį registruoja fotoelementas. Iš pastarojo signalo didumo sprendžiama apie seleną įšildžiusių infraspindulių energiją.
Pneumatiniame daviklyje infraraudonieji spinduliai nukreipiami į nedidelę, pripildytą dujų kamerą, kurios galinė sienelė daroma iš elastingos membranos. Spindulių įšildytos dujos plečiasi ir išgaubia membraną. Deformacijos didumas registruojamas optiniu ar elektriniu būdu, padengiant membraną veidrodiniu sluoksniu ar ją paverčiant viena iš kondensatoriaus plokštelių.
Fotoelektriniai prietaisai yra kur kas jautresni negu geriausieji šiluminiai davikliai. Ypač efektyviai čia panaudojami fotoreiškiniai puslaidininkinėse medžiagose. Dažniausiai pasirenkami puslaidininkiai, turintys specialių priemaišinių atomų. Infraraudonieji fotonai jonizuoja šiuos atomus, o išlaisvinti elektronai sudaro srovę, kurią lengva išmatuoti. Kiti priemaišiniai atomai jonizacijos metu sugeba prisijungti elektronus iš gretimų pagrindinių medžiagos atomų. Tuomet puslaidininkis įgyja vadinamąjį skylinį laidumą (p), nes elektrono trūkumas yra tarsi teigiama dalelė, kuri dalyvauja, pernešant srovę. Kai fotonas
jonizuoja pagrindinį puslaidininkio atomą, tada sukuriami iš karto du srovės nešėjai- elektronas ir skylė. Šiuo principu veikiantys puslaidininkininiai davikliai vadinami fotorezistoriais. Jų spektrinis jautrumo intervalas priklauso nuo puslaidininkio ir priemaišų prigimties. Dažnai naudojami germanio kristalai su aukso, gyvsidabrio, vario, cinko priemaišomis. Kad šie davikliai būtų jautresni, dirbant jie atšaldomi iki labai žemų temperatūrų skystu azotu (-196˚C) ar net skystu heliu (-269˚C).
Davikliais galima užregistruoti įvairių infraraudonojo spektro dalių spindulių srauto intensyvumą, bet jie neparodo bendro šaltinio vaizdo. Ši nepaprastai svarbi praktinė problema gali būti sprendžiama įvairiai. Pirma, iš daugelio atskirų miniatiūrinių fotorezistorių galima sudaryti mozaiką, į kurią projektuojamas erdvės vaizdas. Antra, galima panaudoti vieną fotorezistorių, kiekvieną kartą į jį nukreipiant spindulių srautą tik iš nedidelės stebimos erdvės dalies.
Sukurti ir visiškai originalūs infraraudonųjų šaltinių vaizdo stebėjimo prietaisai. Labai dažnai naudojamas evaporografas, kurio pagrindinę dalį sudaro vakuuminė dviejų sekcijų kamera.
Elektroniniai- optiniai keitikliai su liuminescenciniais ekranais. Nematomi spinduliai išmuša iš fotokatodo elektronus. Pastarieji elektrostatinių lauku nukreipiami į ekraną ir ten sužadina matomą plika akimi švytėjimą, kurio kontūrai atitinka infraraudonojo šaltinio vaizdą.
 
INFRARAUDONIEJI SPINDULIAI ATSKLEIDŽIA MEDŽIAGŲ SUDĖTIES PASLAPTIS

Infraraudonojoje spektro dalyje pasireiškia daugiaatomių molekulių, skysčių ir kietų kūnų optinės savybės. Kaip minėjome, medžiagos skleidžia infraspindulius, kai molekulės pereina iš aukštesnės energinės būsenos į žemesniąją.
Infraraudonųjų spindulių absorbcijos metodas nežinomai medžiagai nustatyti yra labai patogus, nes analizei užtenka nedidelių medžiagos kiekių, galima ją tirti įvairiuose agregatiniuose būviuose, tirpaluose, skirtingų temperatūrų bei slėgių. Šiuo būdu galima stebėti, kaip kinta medžiagų sudėtis cheminių reakcijų ar net degimo metu. Ypač svarbu yra išanalizuoti naujus sintetinius junginius ir juos palyginti su natūraliomis medžiagomis.
Sėkmingai infraspinduliai taikomi izomerams tirti, t. y. atskirti tokioms molekulėms, kurios yra vienodos cheminės sudėties ir svorio, o skiriasi atomų išsidėstymu erdvėje. Padarytas svarbus atradimas- įrodyta, kad infraspinduliai padeda ne tik stebėti molekulių chemines reakcijas, bet ir jas valdyti. Sužadinus lazerio spinduliu skirtingus tarpatominius ryšius reaguojančioje molekulėje, pavyko gauti skirtingus izotopus.
Infraraudonieji spektrai padeda išaiškinti ne vien tik medžiagų cheminę sudėtį. Fizikai iš jų  nustato ryšius ir jėgas, jungiančias atomus į molekulę. Išmatuojami molekulių inercijos ir dipoliniai momentai, jėgų tarp atomų didumai, nustatomos atomų padėtys molekulėje ir atstumai tarp jų. Apie tai, kaip molekulės tarpusavyje sąveikauja, sprendžiama iš infraraudonojo spektro kitimo (bangos ilgio poslinkio, absorbcijos juostų pločio ir intensyvumo kitimo), priklausomai nuo temperatūros, slėgio, agregatinio būvio. Skysčių teorijai labai svarbūs duomenys gaunami iš smarkiai suslėgtų dujų spektrų. Tiriant
infraspinduliais puslaidininkius, šias perspektyviausias radioelektronikos pramonės medžiagas, nustatomi jų svarbiausieji elektrofiziniai parametrai, priemaišinių atomų energinė padėtis.
Infraraudonieji davikliai padėjo atrasti daug nežinomų žvaigždžių.

NEMATOMIEJI SPINDULIAI FOTOGRAFIJOJE

Infraraudonuosius spindulius užfiksuoti fotoplokštelėje yra ne mažiau svarbus uždavinys mokslui ir praktinei žmogaus veiklai, kaip spektroskopija. Dauguma objektų visiškai skirtingai praleidžia ar atspindi matomuosius ir infraraudonuosius spindulius, todėl paprastoje ir infranuotraukoje jų santykiniai kontrastai yra skirtingi.
Infraspindulių šaltinio vaizdą galima fotografuoti nuo evaporografo ar elektroninio- optinio keitiklio ekranų. Tai netiesioginis būdas. Jeigu reikalingas detalus ir ryškus atvaizdas, infraspinduliai projektuojami tiesiog į specialų negatyvą. Pats fotografavimo procesas mažai skiriasi nuo įprastinio, tik kameros korpusas turi būti metalinis, nes oda ir ebonitas praleidžia artimus infraspindulius.
Ypač infraraudonosios fototechnikos privalumai išryškėja, fotografuojant ūkanotą, rūko ar dūmų pridengtą peizažą. Nuotraukoje gerai atsiveria tolumos ir įžiūrima daugybė detalių.
Gaunamos puikios nuotraukos tokiomis sąlygomis, kai akis nieko negalėjo įžiūrėti. Be infranuotraukų neapsieinama ir okeanografiniuose tyrinėjimuose. Fotografuojant iš lėktuvų, sudaromi šiltų ir šaltų okeaninių srovių žemėlapiai, stebima, kaip upės vanduo pasiskirsto jūroje, nustatomos potvynių ir atoslūgių zonos.
Infranuotraukomis tikrinami ir dujotiekiai, naftos vamzdynai, karšto vandens tiekimo sistemos. Jos padeda rasti plyšius bei nutekėjimo vietas. Restauruojant senųjų meistrų tapybą, infraraudonaisiais spinduliais ištiriama, kiek sluoksnių dažų užtepta ant drobės, kokia jų sudėtis. Infranuotraukoje lengvai išskiriami vėlesnieji pataisymai, restauravimo žymės. Kriminalistai šiuo būdu tikrina suklastotus ir
ištaisytus dokumentus.
Rūkas ir debesys skaidrūs infraraudoniesiems spinduliams, todėl šie spinduliai naudojami signalizacijai blogo oro sąlygomis.

INFRASPINDULIAI ŽEMĖS ŪKYJE
 
Pasitelkus infraspindulius, nekontaktiniu būdu galima išmatuoti įvairių objektų temperatūrą. Šiam tikslui skirti prietaisai vadinami radiometrais. Infraraudonieji spinduliai gali padėti tikrinti gaminių kokybę. Išmatavus motorų, lokomotyvų, siurblių, generatorių temperatūrą, sužinoma, ar jie yra „sveiki”. Maisto pramonėje infraraudonaisiais spinduliais paruošiamos džiovintų vaisių ir daržovių atsargos. Taip apdorojant maisto produktus, išlieka vitaminai, vanduo pašalinamas, nesuplėšant ląstelių apvalkalo. Pasterizuojant pieną radiaciniu būdu, mažiausiai nukenčia jo gerosios savybės. Infraraudonųjų spindulių šaltiniai plačiai naudojami įvairiems dažams ir lakams džiovinti. Dažai susideda iš pigmento, tirpiklio ir rišamosios medžiagos. Džiovinimo metu iš dažų sluoksnio išgarinamas tirpiklis. Jeigu džiovinsime įkaitintu oru, pirmiausia sukietės sluoksnio paviršius ir trukdys tirpikliui garuoti. Infraspinduliais perteikiama šiluma kitaip pasiskirsto dažų sluoksnyje. Didžiausią dalį energijos sugeria pats dažomasis daiktas, todėl labiausiai įšyla giliausieji dažų sluoksniai, o intensyviai garuojantis tirpiklis neturi kliūčių.
Radiacinis džiovinimas pagerina dažymo kokybę ir atsparumą. Radiacinis šildymas visiškai nepakeičiamas, kai tenka džiovinti lengvai užsiliepsnojančias medžiagas: popierių, medieną, paraką, fotomedžiagas.
Labai svarbu kokybiškai išdžiovinti radiotechnines detales: transformatorius, droselius, ir induktyvumo rites. Jos sumirkomos izoliaciniu laku, ir, jeigu viršutinis sluoksnis greitai sukietėja, giliau likęs tirpiklis skverbiasi į paviršių ir ardo izoliaciją. Radiacinės linijos per 1,5 valandos puikiai paruošia šiuos gaminius.

KARINĖ INFRARAUDONŲJŲ SPINDULIŲ TECHNIKA

Infraraudonieji spinduliai, būdami nematomi, labai dažnai naudojami ir kariniams tikslams. Panašiai kaip radijo bangos lokatoriuose, infraraudonieji spinduliai padeda rasti ir sekti priešo lėktuvus, laivus, raketas, kosminius laivus. Lazerio generuojamas siauras infraspindulių pluoštelis zonduoja visą stebimą oro ir žemės paviršiaus rajoną. Iš pluoštelio atspindžio nuo taikinio sprendžiama apie pastarojo vietą, judėjimo greitį, kryptį. Kadangi infraspindulių bangų ilgis(≈ nuo 750nm iki 1,5mm) mažesnis negu radijo bangų, lazerinio lokatoriaus skiriamoji galia yra didesnė. Tiek radijo bangų, tiek ir lazeriniai lokatoriai turi bendrą trūkumą: jų veikimą lengva aptikti. Todėl konstruojamos ir pasyvios paieškos sistemos, pastebinčios priešo taikinius pagal jų pačių skleidžiamus šiluminius spindulius.
Laivų kaminai, įkaitę mašinų ir tankų varikliai, raketų ir reaktyvinių lėktuvų korpusai ir dujų fakelai- tai galingi infraraudonųjų spindulių šaltiniai. Spindulių priėmimo sistemą sudaro parabolinis veidrodis, kurio fokuse talpinamas daviklis. Dieną naudojami specialūs filtrai atspindėtai Saulės šviesai sulaikyti. Šie prietaisai gali ne tik nurodyti priešo taikinius, bet ir nuvesti valdomus sviedinius ar raketas jiems sunaikinti. Infaspinduliniai navigaciniai prietaisai daug pranašesni negu radijo lokatoriai: jie lengvi, paprastos konstrukcijos, labai jautrūs ir patikimi. Šiuolaikiniai lėktuvai taip pat naudoja infraspindulių daviklius, kurie
signalizuoja apie artėjančią priešo raketą ir automatiškai įjungia gynybinę sistemą.
Infraprietaisai kovinėse raketose atlieka dar vieną labai svarbią funkciją. Priartėjus prie  taikinio, kai jo infraraudonasis spinduliavimas viršija ribinę vertę, daviklis duoda impulsą detonatoriui ir susprogdina užtaisą.
Įdomu pažymėti, kad gyvūnai turi kur kas tobulesnius infraspindulių lokatorius, negu žmogaus sukurtasis. Aprašytosios infraspindulių šaltinio vaizdo formavimo sistemos padeda apžvelgti karinių
veiksmų lauką naktį. Paprastai kiekvienas pabūklas ir kulkosvaidis, o ir lengvieji prietaisai (naktiniai žiūronai, optiniai taikikliai) turi naktinius taikiklius.
 
INFRARAUDONIEJI SPINDULIAI METEOROLOGINĖJE TARNYBOJE

Dirbtiniuose Žemės palydovuose įrengiami infraspindulių prietaisai. Jie matuoja Saulės ir Žemės atmosferos radiaciją, ozono, vandens garų kiekį atmosferoje, debesų sluoksnių aukščius, jūros paviršiaus temperatūrą ir temperatūrinius atmosferos profilius.

INFRARAUDONIEJI SPINDULIAI IR MEDICINA

Medicinoje naudojami infraspindulių prietaisai, kurie padeda nustatyti diagnozę, gydyti ir daryti įvairias analizes. Žmogaus oda yra palyginti skaidri artimosios srities infraraudoniesiems spinduliams. Todėl galima nustatyti ligas, kurios sukelia odos ir paviršinių kūno audinių lokalinius temperatūros pakitimus. Pvz.: sergant vėžiu, pagreitėja medžiagų apykaita, o tuo pačiu pakyla pažeistos vietos temperatūra. Infraspinduliniai radiometrai pastebi temperatūros pakitimus 0,2˚C tikslumu. Taip nustatomi pirmieji krūties  vėžio simptomai.  
Infraprietaisai naudojami nušalinimų, nudegimų, pooperacinių randų ir kitų žaizdų gijimui stebėti, nenuėmus tvarsčių. Jais kontroliuojama, kaip prigyja persodintas plastinės operacijos metu audinys. Chirurgai infraprietaisais gali greitai ir tiksliai nustatyti negyvų audinių ribas ir parinkti optimalią vietą amputaciniam pjūviui.
Infraraudonieji spinduliai padeda nustatyti paviršinių kraujagyslių ligas ir stebėti jų gydymo rezultatus. Infranuotraukos išryškina periferinių kūno sričių kraujo apytakos sutrikimus ir
trombų susidarymo vietas venose.
Masiniams sveikatos patikrinimams labai naudingas infraspindulių termometras, kuris bekontaktiniu būdu per 1 sekundę ± 0,1˚C tikslumu išmatuoja paciento kūno temperatūrą.
Infraraudonaisiais spinduliais galima ištirti žmogaus akį, kurios ragena yra neskaidri, aptraukta valktimi. Akliesiems pramonė gamina specialias lazdas su įmontuotu infraspindulių lokatoriumi, kuris garsiniu signalu perspėja apie kelio kliūtis.
Infraraudonieji spinduliai turi ir fizioterapinę reikšmę. Gydant sąnarių raiščių traumas, limfmazgių uždegimus, šildymas radiaciniu būdu labai efektyvus, nes veikia gilesnes poodines audinių sritis. 

INFRARAUDONIEJI SPINDULIAI IR KOSMOSAS

Kartu su kita svarbia aparatūra kosminiuose skridimuose visuomet naudojami ir infraprietaisai. Jie padeda valdyti skridimo procesą, atlieka mokslinius dangaus kūnų ir Žemės stebėjimus, aprūpina kosminę laboratoriją elektros energija, palaiko ryšius tarp kosminių laivų ir perduoda surinktą informaciją į Žemę.
Lazerių generuojami infraspinduliai naudojami kosminėse ryšių sistemose. Jų pagrindiniai privalumai- didesnis bangų dažnis, įgalinantis sutalpinti kur kas daugiau informacijos, taip pat siauras bei kryptingas spindulių pluoštas. Lazeris gali būti naudojamas tiek artimam kosminiam ryšiui tarp kosminių laivų, tiek ir perduodant informaciją iš kosminių aparatų, skriejančių tolių planetų link.
Būdingiausia infraspindulių savybė- jų šiluminis poveikis. Šia savybe pagrįstas šiltnamių veikimas. Šviesa pro stiklą (plėvelę) patenka į šiltnamį ir šildo žemę. Ši įkaitusi pradeda skleisti infraraudonuosius spindulius, kurie pro šiltnamio stiklą nebepraeina, o grįžę atgal papildomai šildo dirvą (šiltnamio reiškinys).
 

Šaltinis:http://www.mokslai.lt/referatai/referatas/infraraudonieji-spinduliai-puslapis1.html

Komentuoti

Saugos kodas