Η υπέρυθρη ακτινοβολία (IR) ή το υπέρυθρο φως είναι ένας τύπος ακτινοβόλης ενέργειας που είναι αόρατος στα ανθρώπινα μάτια αλλά μπορούμε να νιώσουμε σαν θερμότητα. Όλα τα αντικείμενα του σύμπαντος εκπέμπουν κάποιο επίπεδο IR ακτινοβολίας, αλλά δύο από τις πιο προφανείς πηγές είναι ο ήλιος και η φωτιά.
Το IR είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, μια συνέχεια των συχνοτήτων που παράγονται όταν τα άτομα απορροφούν και στη συνέχεια απελευθερώνουν ενέργεια. Από την υψηλότερη στη χαμηλότερη συχνότητα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία περιλαμβάνει ακτίνες-γ, ακτίνες Χ, υπεριώδη ακτινοβολία, ορατό φως, υπέρυθρη ακτινοβολία, μικροκύματα και ραδιοκύματα. Μαζί, αυτοί οι τύποι ακτινοβολίας αποτελούν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Ο Βρετανός αστρονόμος William Herschel ανακάλυψε το υπέρυθρο φως το 1800, σύμφωνα με τη NASA. Σε ένα πείραμα για τη μέτρηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των χρωμάτων στο ορατό φάσμα, τοποθετούσε θερμόμετρα στη διαδρομή του φωτός μέσα σε κάθε χρώμα του ορατού φάσματος. Παρατήρησε μια αύξηση της θερμοκρασίας από μπλε σε κόκκινο, και βρήκε μια ακόμη θερμότερη μέτρηση της θερμοκρασίας ακριβώς πέρα από το κόκκινο άκρο του ορατού φάσματος.
Μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, τα υπέρυθρα κύματα εμφανίζονται σε συχνότητες πάνω από εκείνες των μικροκυμάτων και ακριβώς κάτω από εκείνες του κόκκινου ορατού φωτός, εξ ου και το όνομα "υπέρυθρες". Τα κύματα υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερα από αυτά του ορατού φωτός, σύμφωνα με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech). Οι συχνότητες IR κυμαίνονται από περίπου 3 gigahertz (GHz) έως περίπου 400 terahertz (THz) και τα μήκη κύματος υπολογίζονται ότι κυμαίνονται μεταξύ 1.000 μm και 760 nanometers (2.9921 ίντσες), αν και αυτές οι τιμές δεν είναι οριστικές, σύμφωνα με τη NASA.
Παρόμοιο με το φάσμα του ορατού φωτός, που κυμαίνεται από το βιολετί (το βραχύτερο μήκος κύματος ορατού φωτός) έως το κόκκινο (μεγαλύτερο μήκος κύματος), η υπέρυθρη ακτινοβολία έχει τη δική της περιοχή μήκους κύματος. Τα βραχύτερα "κοντινά υπέρυθρα" κύματα, τα οποία είναι πιο κοντά στο ορατό φως στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, δεν εκπέμπουν καμία ανιχνεύσιμη θερμότητα και είναι αυτά που εξέρχονται από ένα τηλεχειριστήριο τηλεόρασης για να αλλάξουν τα κανάλια. Τα μακρύτερα "μακριά υπέρυθρα" κύματα, τα οποία είναι πιο κοντά στο τμήμα μικροκυμάτων στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, μπορούν να θεωρηθούν ως έντονη θερμότητα, όπως η θερμότητα από το ηλιακό φως ή τη φωτιά, σύμφωνα με τη NASA.
Η ακτινοβολία IR είναι ένας από τους τρεις τρόπους με τους οποίους η θερμότητα μεταφέρεται από το ένα μέρος στο άλλο, ενώ οι άλλες δύο είναι η μεταφορά και η αγωγιμότητα. Όλα με θερμοκρασία άνω των 5 βαθμών Kelvin (μείον 450 βαθμούς Φαρενάιτ ή μείον 268 βαθμούς Κελσίου) εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Ο ήλιος εκπέμπει το ήμισυ της συνολικής του ενέργειας ως IR, και μεγάλο μέρος του ορατού φωτός του αστεριού απορροφάται και εκπέμπεται ως IR, σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Tennessee.
Οικιακές χρήσεις
Οι οικιακές συσκευές όπως οι λαμπτήρες θερμότητας και οι φρυγανιέρες χρησιμοποιούν υπέρυθρη ακτινοβολία για τη μετάδοση θερμότητας, όπως και οι βιομηχανικές θερμάστρες, όπως εκείνες που χρησιμοποιούνται για την ξήρανση και την ωρίμανση υλικών. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως μετατρέπουν μόνο το 10% της ηλεκτρικής τους ενέργειας σε ενέργεια ορατού φωτός, ενώ το άλλο 90% μετατρέπεται σε υπέρυθρη ακτινοβολία, σύμφωνα με την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος.
Τα υπέρυθρα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επικοινωνίες από σημείο σε σημείο σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων μέτρων ή ναυπηγείων. Τα τηλεχειριστήρια τηλεόρασης που βασίζονται στην υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπουν παλμούς από ενέργεια IR από μια δίοδο εκπομπής φωτός (LED) σε ένα δέκτη IR στην τηλεόραση, σύμφωνα με το How Stuff Works. Ο δέκτης μετατρέπει τους παλμούς φωτός σε ηλεκτρικά σήματα που καθοδηγούν έναν μικροεπεξεργαστή να εκτελέσει την προγραμματισμένη εντολή.
Υπέρυθρη ανίχνευση
Μία από τις πιο χρήσιμες εφαρμογές του φάσματος IR είναι η αίσθηση και η ανίχνευση. Όλα τα αντικείμενα στη Γη εκπέμπουν IR ακτινοβολία με τη μορφή θερμότητας. Αυτό μπορεί να ανιχνευθεί από ηλεκτρονικούς αισθητήρες, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε γυαλιά νυχτερινής όρασης και υπέρυθρες κάμερες.
Ένα απλό παράδειγμα ενός τέτοιου αισθητήρα είναι το βολόμετρο, το οποίο αποτελείται από ένα τηλεσκόπιο με αντιστάτη ευαίσθητο στη θερμοκρασία ή θερμίστορ στο σημείο εστίασής του, σύμφωνα με το University of California, Berkeley (UCB). Εάν ένα θερμό σώμα εισέλθει στο οπτικό πεδίο αυτού του οργάνου, η θερμότητα προκαλεί μια ανιχνεύσιμη αλλαγή στην τάση κατά μήκος του θερμίστορ.
Οι κάμερες νυχτερινής όρασης χρησιμοποιούν μια πιο εξελιγμένη έκδοση ενός μπουλονόμετρου. Αυτές οι κάμερες περιέχουν συνήθως τσάντες απεικόνισης συσκευών συζευγμένων με φορτίο (CCD) που είναι ευαίσθητες στο φως IR. Η εικόνα που σχηματίζεται από το CCD μπορεί στη συνέχεια να αναπαραχθεί σε ορατό φως. Αυτά τα συστήματα μπορούν να γίνουν αρκετά μικρά ώστε να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές χειρός ή σε προστατευτικά γυαλιά νυχτερινής όρασης. Οι κάμερες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για πιστόλια όπλων με ή χωρίς την προσθήκη ενός λέιζερ IR για στόχευση.
Η φασματοσκοπία υπερύθρου μετρά τις εκπομπές IR από υλικά σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Το φάσμα IR μιας ουσίας θα παρουσιάσει χαρακτηριστικές απορροές και κορυφές καθώς τα φωτόνια (σωματίδια φωτός) απορροφώνται ή εκπέμπονται από ηλεκτρόνια σε μόρια, όπως η μετάβαση ηλεκτρονίων μεταξύ τροχιών ή επίπεδα ενέργειας. Αυτές οι φασματοσκοπικές πληροφορίες μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό ουσιών και την παρακολούθηση των χημικών αντιδράσεων.
Σύμφωνα με τον Robert Mayanovic, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Missouri, η υπέρυθρη φασματοσκοπία, όπως η φασματοσκοπία υπέρυθρων μετασχηματισμών Fourier (FTIR), είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για πολλές επιστημονικές εφαρμογές. Αυτές περιλαμβάνουν τη μελέτη μοριακών συστημάτων και 2D υλικών, όπως το graphene.
Υπέρυθρη αστρονομία
Το Caltech περιγράφει την υπέρυθρη αστρονομία ως "την ανίχνευση και τη μελέτη της υπέρυθρης ακτινοβολίας (θερμικής ενέργειας) που εκπέμπεται από αντικείμενα στο σύμπαν". Οι προσδοκίες στα συστήματα απεικόνισης IR CCD επέτρεψαν την λεπτομερή παρατήρηση της κατανομής των πηγών IR στο διάστημα, αποκαλύπτοντας σύνθετες δομές σε νεφελώματα, γαλαξίες και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος.
Ένα από τα πλεονεκτήματα της παρατήρησης IR είναι ότι μπορεί να εντοπίσει αντικείμενα που είναι πολύ δροσερά για να εκπέμπουν ορατό φως. Αυτό έχει οδηγήσει στην ανακάλυψη προηγουμένως άγνωστων αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των κομητών, των αστεροειδών και των σκοτεινών διαστρωματικών σύννεφων σκόνης που φαίνεται να είναι διαδεδομένα σε όλο τον γαλαξία.
Η αστρονομία IR είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την παρατήρηση ψυχρών μορίων αερίου και για τον προσδιορισμό της χημικής σύνθεσης των σωματιδίων σκόνης στο διαστρικό μέσο, δήλωσε ο Robert Patterson, καθηγητής αστρονομίας στο κρατικό πανεπιστήμιο του Missouri. Αυτές οι παρατηρήσεις διεξάγονται χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους ανιχνευτές CCD που είναι ευαίσθητοι σε φωτόνια IR.
Ένα άλλο πλεονέκτημα της IR ακτινοβολίας είναι ότι το μεγαλύτερο μήκος κύματος σημαίνει ότι δεν διασκορπίζεται όσο το ορατό φως, σύμφωνα με τη NASA. Ενώ το ορατό φως μπορεί να απορροφηθεί ή να αντανακλάται από σωματίδια αερίου και σκόνης, τα μεγαλύτερα κύματα IR περνούν απλά γύρω από αυτά τα μικρά εμπόδια. Λόγω αυτής της ιδιότητας, το IR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρατήρηση αντικειμένων των οποίων το φως καλύπτεται από αέριο και σκόνη. Τέτοια αντικείμενα περιλαμβάνουν νεοεμφανιζόμενα αστέρια ενσωματωμένα σε νεφέλια ή στο κέντρο του Γαλαξία της Γης.
Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 27 Φεβρουαρίου 2019 από τον συντηρητή της Live Science Traci Pedersen.
