Warto przeczytać

Promieniowanie podczerwone, zwane w skrócie IR (z angielskiego Infrared), to promieniowanie elektromagnetyczne, którego nie rejestruje ludzkie oko, o długościach fal większych od długości fali światła czerwonego. Zakres promieniowania podczerwonego obejmuje długości fal od 780 nm do około 1 mm (inaczej: od 0,78 μmum do około 1000 μmum). Od strony fal dłuższych graniczy z zakresem promieniowania mikrofalowego.

R1FBeM1Hx5Sva

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia młodą kobietę w maseczce chirurgicznej. Obok postaci znajduje się ekran, na którym widać obraz tej kobiety w promieniowaniu podczerwonym. Na obrazie odsłonięte części ciała: czoło, szyja, dekolt są ciemne, a ubranie, maseczka, włosy kobiety są jasne.

Jak wszystkie fale elektromagnetyczne, promieniowanie podczerwone rozchodzi się w próżni z prędkością światła $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s. Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne są w tej samej fazie.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

Energia kwantu promieniowania, fotonu, jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotnie proporcjonalna do długości fali:

gdzie $h$ jest stałą Plancka, $h$ = 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15^-15 eV·s.

Energie fotonów promieniowania podczerwonego są mniejsze niż fotonów światła widzialnego.

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez wszystkie ciała. Nazywamy je również promieniowaniem termicznym. Promieniowanie termiczne obejmuje szeroki zakres długości fal, od nadfioletu do podczerwieni, ale maksimum tego promieniowania przypada na określony przedział długości fal, zależny od temperatury. Emisja promieniowania termicznego spowodowana jest bezładnym ruchem w materii cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Maksimum promieniowania ciała człowieka, a także przedmiotów o temperaturze pokojowej, przypada na fale długości około 10 μmum. Energia promieniowania termicznego zależy silnie od temperatury ciała – jest wprost proporcjonalna do $T^{4}$, gdzie $T$ jest temperaturą w skali bezwzględnejTemperatura w skali bezwzględnejtemperaturą w skali bezwzględnej. Wynika z tego, że ciało o wyższej temperaturze wypromieniowuje znacznie więcej energii, niż ciało o niższej temperaturze.

Podczerwień dzielimy umownie na podczerwień bliską i dalszą.

Bliska podczerwień to fale w zakresie (0,78 – 10) μmum. Emitują je ciała o temperaturze wyższej od pokojowej, takie jak żarówka, ognisko itp.

Dalsza podczerwień to fale w zakresie (10 - 1000) μmum. Źródłem tego promieniowania są ciała o temperaturze pokojowej i niższej.

Promieniowanie podczerwone kojarzy nam się z ogrzewaniem. I rzeczywiście, znamy lampy na podczerwień (promienniki podczerwieni) służące do ogrzewania ciała człowieka w celach leczniczych (Rys. 2.). Ale podczerwień może też chłodzić ciało. Jak to możliwe?

R18sQ6gUlnj8h

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia lampę na podczerwień, zwaną promiennikiem podczerwieni, używaną do ogrzewania ciała pacjenta.

Emisja promieniowania podczerwonego odbywa się kosztem energii wewnętrznej ciała. Gdy ciało absorbuje podczerwień, energia pochłoniętych fal elektromagnetycznych zamienia się na przyrost energii wewnętrznej. W warunkach równowagi przepływy energii cieplnej są równe – tyle samo energii ciało wypromieniowuje i pochłania. Temperatura ciała jest wtedy stała.

Ogrzewanie przez podczerwień.

Gdy absorbowane promieniowanie niesie więcej energii, niż promieniowanie wysyłane, energia wewnętrzna ciała zwiększa się i jego temperatura rośnie. Tym tłumaczymy, że możemy ogrzać się przy ognisku, lub ogrzać dłonie trzymając je w pobliżu gorącej szklanki z herbatą. W przestrzeni kosmicznej i w próżni podczerwień jest jedynym sposobem przekazywania energii cieplnej.

Chłodzenie przez podczerwień.

Gdy ciało ma wyższą temperaturę niż otoczenie, wysyłane promieniowanie ma większą energię, niż promieniowanie pochłaniane. Ciało traci energię wewnętrzną i jego temperatura się zmniejsza. Spadek temperatury jest szybszy, niż wynikający z przewodności cieplnej, ponieważ powietrze jest złym przewodnikiem ciepła. Każdy, kto stał obok dużej bryły lodu, poczuł od jej strony chłód. Ale to nie lód promieniuje chłodem, to ludzkie ciało wysyła w kierunku lodu więcej energii niż od niego otrzymuje.

Rola podczerwieni w regulacji temperatury na powierzchni Ziemi.

Promieniowanie podczerwone odgrywa ważną rolę w bilansie energetycznym atmosfery ziemskiej. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne, w większości z zakresu światła widzialnego. Ogrzana powierzchnia Ziemi emituje promieniowanie podczerwone, jako promieniowanie wtórne. Promieniowanie to, przechodząc przez atmosferę, jest w znacznym stopniu pochłaniane przez zawartą w niej parę wodną, dwutlenek węgla, metan i inne gazy cieplarniane, zwiększając temperaturę powietrza. Można obliczyć, że gdyby Ziemia nie miała atmosfery, to jej średnia temperatura, wynikająca z bilansu promieniowania absorbowanego i emitowanego, wynosiłaby trochę mniej niż -18°C. Wiemy jednak, że średnia temperatura naszego globu jest o ponad 33°C większa i wynosi około 15°C. Atmosfera stanowi zatem cieplną izolację Ziemi. Odpowiednią dla życia temperaturę na Ziemi zawdzięczamy temu, że gazy cieplarniane (dwutlenek węgla, para wodna) są przezroczyste dla światła widzialnego, ale absorbują promieniowanie podczerwone.

Słowniczek