2. AZ INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS (IR)
Az ember az elektromágneses sugárzásokra nem minden szervével tud
egyértelműen reagálni, hiszen nem is érzékeli azokat. (Jó példa erre, hogy
az ember hallószerve nem reagál az elektromágneses hullámokra, további
érdekesség, hogy a radarhullámok eddig felderítetlen módon hatnak az
idegrendszerre egyes emberek esetében. Feltételezhető, hogy az agykérgi
hallóközpontban van egy a radarhullámokra érzékenyen reagáló rendszer is,
amely bizonyos személyeknél kifejlődött.)
A nemlátható elektromágneses sugárzást a szem nem érzékeli, (hiszen nem
látható) de hatásainak következményeit már érzékeljük.
1666-ban Newton fedezte fel, hogy a napfény prizmán keresztül haladva
számtalan színes sugárra bomlik - színspektrum - mely az ibolyától a vörösig
terjed. (3 sz. ábra)
3. sz. ábra
A látható színkép két oldalán levő hullámhossz tartományoknak hagyományos
elnevezése az infravörös és az ultraibolya. (4. sz. ábra)
Az infravörös sugárzás a látható fény hosszú hullámhosszúságú végéhez
(kb. 760 nm) csatlakozik és egészen a rádióhullámok tartományáig (1 mm)
terjed.
4. sz. ábra
Az IR hullámokat William Herschel fedezte fel 1800-ban, amikor a fény
színképének vörös tartományát hőmérővel vizsgálata. A legfontosabb IR
források a hőmérsékleti sugárzók.
Például egy izzólámpa sugárzási teljesítményének 90%-át az IR
tartományban bocsátja ki. Magasabb hőmérséklet és jobb fényhasznosítás azért
nem lehetséges, mert az izzószál megolvadna.
A testek hőmérsékletüknél fogva hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki. Az
abszolút fekete test (5. sz. ábra) és speciális lámpák például a Nernst égő
(6. sz. ábra) folytonos IR színképet bocsátanak ki.
5. sz. ábra
6. sz. ábra
Ebből szűrőkkel és frekvenciafüggő visszaverődéssel lehet egyes
hullámhossz tartományokat elkülöníteni.
A hőmérsékleti sugárzás a környezet hőmérsékletétől függenek, egy test
tehát akkor is sugároz, ha a környezete melegebb. Ekkor azonban a test több
energiát vesz fel mint amennyit a környezetének lead. A sugárzó test és
környezete között termikus egyensúly áll fenn, ha közöttük nincs hőmérséklet
különbség.
Az abszolút fekete test elnyelési együtthatója minden hullámhosszon
lambda = 1 azaz, az abszolút fekete test a ráeső teljes sugárzást elnyeli.
Minden test közül a legnagyobb sugárzási teljesítményt bocsátja ki. A fekete
test színképének spektrális energia eloszlásának maximuma van, amely növekvő
hőmérsékletekkel a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el.
A nap emissziós színképe T=6 000 K. hőmérsékletű fekete test sugárzásának
felel meg és maximuma a sárgászöld tartományban van. A belül vörösösen izzó
kiégető kemence 1.700 K hőmérsékletű fekete test sugárzásával egyenlő. A nap
által kibocsátott energiának csak egy töredéke sugárzódik ki látható fény
formájában, a nagy része olyan rövid vagy olyan hosszú hullámhosszúságú
sugárzás, amelyre szemünk nem érzékeny. Az ultraibolya az infravörös
sugarak, látható fény, valamint minden egyéb más fajta sugárzás, melyeket a
Nap kibocsát ráesnek a földünkre is. Bármilyen különbözőek is ezek a
sugárzások, egy közös tulajdonságuk van: mindegyik termel hőt amikor a
földben és a légkörben elnyelődik. Így a Nap által termelt energiát
legjobban az elnyelt hőmennyiségből határozhatjuk meg. Tulajdonképpen ez az
energia teszi lehetővé az életet a Földünkön. A Nap által szétsugárzott
energiának kb. csupán csak 2 milliárdod része esik rá a Földre, de már ez a
csekély töredék is elég volt ahhoz, hogy megvalósuljanak az élet feltételei.
Mindezekből megállapítható, hogy az izzó testek által kibocsátott
sugárzás erőssége a növekvő hőmérséklettel szintén nő, és a legerősebb,
legintenzívebb sugár hullámhossza a hőmérséklet növekedésével a vöröstől a
spektrum kék vége felé tolódik el. A 7. ábrán a Nap spektrális sugárerőssége
tanulmányozható.
7. sz. ábra
2.1. Sugárzási törvények
A hőmérsékleti sugárzás színképe a századforduló táján a mérések
eredményeképpen már jól ismert volt. Elméleti magyarázata azonban Wien-nek
és Rayleigh-nak csak korlátozott hullámhossz tartományra sikerült. A kutatók
tudatában voltak, hogy ezen a területen valami alapvetően új jelenhet meg a
fizikában. Az áttörés Planck-nak sikerült.
A Wien-féle sugárzási törvényt Wilhelm Wien-ről nevezték el, mely törvény
jól leírja a rövid hullámhosszú sugárzást, de a hosszú hullámhosszú
tartományban nem alkalmazható. A Wien-féle eltolódási törvény a fekete test
sugárzásának maximumához tartozó hullámhossz ill. frekvencia és a test
hőmérséklete közötti összefüggést írja le:
b
lambda = ---
max T
lambda ------------> a maximumhoz tartozó hullámhossz méterben,
max
b = 2.898 *10^3 mK ---> a Wien-féle állandó
Példa: A 2.000 ºC felületi hőmérsékletű folyékony vas sugárzásának a
maximuma mélyen bent van az IR tartományban. Ennek megfelelően csekély a
sugárzás látható tartományába eső hányada.
Stefan - Boltzmann-törvény, amely a fekete test kisugárzott felületi
teljesítményét adja meg, azaz a felület egységre eső sugárzási teljesítményt
az összes hullámhosszra összegezve:
M = ĺ * T^4
┌ ┐
│ W │
M * │---│ ---------------------> a kisugárzott felületi teljesítmény
│ mý│
└ ┘
ĺ = 5.670 * 10^-8 * W * m^-2 * K^-4 ----> a Stefan-Boltzman állandó,
Mivel a fekete test a környezetéből el is nyel sugárzást, a nettó
kisugárzott felületi teljesítmény a következő:
┌ ┐
M = ĺ * │T^4 - T^4│
│ u │
└ ┘
┌ ┐
│T │ ----> a fekete test környezetének a termodinamikai hőmérséklete
│ u│
└ ┘
A Rayleigh-Jeans-féle sugárzási törvény jól leírja a fekete test
hőmérsékleti sugárzásának hosszú hullámhossz tartományba eső részét a rövid
hullámhosszoknál azonban túl nagy értékeket szolgáltat ("ultraibolya
katasztrófa"):
2hv^3 T
L = ----- ---
v Cý v
A Planck-féle sugárzási törvény nagy pontossággal írja le a fekete test
sugárzását és igen fontos következménye lett a kvantumelmélet. A kvantumok,
fotonok minden sugárzásnak, - így az IR sugárzásnak is elemi alkotórészei.
2.2. Az infravörös sugarak egyéb kimutatásának módszerei
2.2.1. A maradék sugarak módszere
Egyes kristályoknak, például a kősónak, folypátnak bizonyos szűk IR
tartományban magas visszaverő képessége van. Egy olyan berendezést, amelyben
egy hőmérsékleti sugárzó hullámait NaCl kristály sík felületein többszörös
visszaverődésnek tesszük ki, végül 51 ćm körüli hullámhosszúságú maradék
sugárzás hagyja el.
2.2.2. Lézeres módszer
Bizonyos típusú lézerek intenzív monoenergetikus IR sugárforrások,
például a neodímium (YAG)-lézer lambda = 1.07 ćm hullámhosszúságú sugárzást
bocsát ki. Egy atomot érő sugárzás csak akkor abszorbeálódik, ha energiája
az atom két belső energia szintjének E energia különbségével egyenlő. Tehát
akkor és csak akkor, ha hv = E. Az atom ekkor gerjesztett állapotba kerül.
A gerjesztett atom rövid időn belül ismét leadja a felvett energiát. Az
8. sz. ábra
energia kibocsátás legtöbbször spontán következik be, de egy E energiájú
kvantum is kiválthatja. Ez az indukált emisszió. Egyidejűleg két azonos
energiájú kvantum lép ki, ezért a sugárzás erősítése figyelhető meg.
Amennyiben a sugárzás erősítése a látható, vagy az IR, vagy az UV
hullámhossz tartományban következik be, lézerről beszélünk. (Laser: Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (8. sz. ábra)
2.2.3. Egyéb módszerek
Az IR sugárzás kimutatása történhet még kis hőkapacitású hőmérővel,
termoelemmel (9. sz. ábra) (sorbakapcsolt termoelemekből álló termooszlopról
van szó, a termooszlop forrasztási helyeit befeketítik és laposra préselik,
a termoelemek sötét oldalukkal a sugárforrás felé fordítva helyezkednek el,
az ellenkező oldaluk lehűl), fotocellával (fotocella: fényelem - a ráeső
sugárzás energiájának egy részét közvetlenül elektromos energiává alakító, s
ezáltal a sugárzás hatását elektromos áram keletkezésével jelző berendezés,
amelyben a keletkező áram nagysága a ráeső sugárzás erősségével arányos.
Lényegét olyan fém, vagy félvezető elektród alkotja, amelyből a sugárzás
hatására elektronok lépnek ki, s ezek fotoáramot indítanak. Kapcsolási
módjuktól függően a fotocellákat használják még az IR sugárzás kimutatásán
kívül áramforrásul vagy a más forrásból eredő elektromos áram
megvilágításának megfelelő szabályozójául), fotoelektron-sokszorozóval, vagy
kristálydetektorral (kristálydetektor egy félvezető kristályból és a
kristályt érintő fémcsúcsból áll) és speciális fényképezőlemezekkel
történhet, melynek fényérzékeny rétege különleges anyagból készül.
9. sz. ábra
Az IR tartományban dolgozó készülékek optikai elemei (lencsék, prizmák,
ablakok) kvarcból készülnek, mivel, a közönséges üveg az IR tartományban
erősen abszorbeál (abszorpció: fényelnyelés).
Másrészt viszont néhány olyan anyag, amely a látható fényt elnyeli, az IR
sugárzást átengedi. Jó példa erre a jód széndiszulfidos oldata.
3. sz. ábra
A látható színkép két oldalán levő hullámhossz tartományoknak hagyományos
elnevezése az infravörös és az ultraibolya. (4. sz. ábra)
Az infravörös sugárzás a látható fény hosszú hullámhosszúságú végéhez
(kb. 760 nm) csatlakozik és egészen a rádióhullámok tartományáig (1 mm)
terjed.
4. sz. ábra
Az IR hullámokat William Herschel fedezte fel 1800-ban, amikor a fény
színképének vörös tartományát hőmérővel vizsgálata. A legfontosabb IR
források a hőmérsékleti sugárzók.
Például egy izzólámpa sugárzási teljesítményének 90%-át az IR
tartományban bocsátja ki. Magasabb hőmérséklet és jobb fényhasznosítás azért
nem lehetséges, mert az izzószál megolvadna.
A testek hőmérsékletüknél fogva hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki. Az
abszolút fekete test (5. sz. ábra) és speciális lámpák például a Nernst égő
(6. sz. ábra) folytonos IR színképet bocsátanak ki.
5. sz. ábra
6. sz. ábra
Ebből szűrőkkel és frekvenciafüggő visszaverődéssel lehet egyes
hullámhossz tartományokat elkülöníteni.
A hőmérsékleti sugárzás a környezet hőmérsékletétől függenek, egy test
tehát akkor is sugároz, ha a környezete melegebb. Ekkor azonban a test több
energiát vesz fel mint amennyit a környezetének lead. A sugárzó test és
környezete között termikus egyensúly áll fenn, ha közöttük nincs hőmérséklet
különbség.
Az abszolút fekete test elnyelési együtthatója minden hullámhosszon
lambda = 1 azaz, az abszolút fekete test a ráeső teljes sugárzást elnyeli.
Minden test közül a legnagyobb sugárzási teljesítményt bocsátja ki. A fekete
test színképének spektrális energia eloszlásának maximuma van, amely növekvő
hőmérsékletekkel a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el.
A nap emissziós színképe T=6 000 K. hőmérsékletű fekete test sugárzásának
felel meg és maximuma a sárgászöld tartományban van. A belül vörösösen izzó
kiégető kemence 1.700 K hőmérsékletű fekete test sugárzásával egyenlő. A nap
által kibocsátott energiának csak egy töredéke sugárzódik ki látható fény
formájában, a nagy része olyan rövid vagy olyan hosszú hullámhosszúságú
sugárzás, amelyre szemünk nem érzékeny. Az ultraibolya az infravörös
sugarak, látható fény, valamint minden egyéb más fajta sugárzás, melyeket a
Nap kibocsát ráesnek a földünkre is. Bármilyen különbözőek is ezek a
sugárzások, egy közös tulajdonságuk van: mindegyik termel hőt amikor a
földben és a légkörben elnyelődik. Így a Nap által termelt energiát
legjobban az elnyelt hőmennyiségből határozhatjuk meg. Tulajdonképpen ez az
energia teszi lehetővé az életet a Földünkön. A Nap által szétsugárzott
energiának kb. csupán csak 2 milliárdod része esik rá a Földre, de már ez a
csekély töredék is elég volt ahhoz, hogy megvalósuljanak az élet feltételei.
Mindezekből megállapítható, hogy az izzó testek által kibocsátott
sugárzás erőssége a növekvő hőmérséklettel szintén nő, és a legerősebb,
legintenzívebb sugár hullámhossza a hőmérséklet növekedésével a vöröstől a
spektrum kék vége felé tolódik el. A 7. ábrán a Nap spektrális sugárerőssége
tanulmányozható.
7. sz. ábra
2.1. Sugárzási törvények
A hőmérsékleti sugárzás színképe a századforduló táján a mérések
eredményeképpen már jól ismert volt. Elméleti magyarázata azonban Wien-nek
és Rayleigh-nak csak korlátozott hullámhossz tartományra sikerült. A kutatók
tudatában voltak, hogy ezen a területen valami alapvetően új jelenhet meg a
fizikában. Az áttörés Planck-nak sikerült.
A Wien-féle sugárzási törvényt Wilhelm Wien-ről nevezték el, mely törvény
jól leírja a rövid hullámhosszú sugárzást, de a hosszú hullámhosszú
tartományban nem alkalmazható. A Wien-féle eltolódási törvény a fekete test
sugárzásának maximumához tartozó hullámhossz ill. frekvencia és a test
hőmérséklete közötti összefüggést írja le:
b
lambda = ---
max T
lambda ------------> a maximumhoz tartozó hullámhossz méterben,
max
b = 2.898 *10^3 mK ---> a Wien-féle állandó
Példa: A 2.000 ºC felületi hőmérsékletű folyékony vas sugárzásának a
maximuma mélyen bent van az IR tartományban. Ennek megfelelően csekély a
sugárzás látható tartományába eső hányada.
Stefan - Boltzmann-törvény, amely a fekete test kisugárzott felületi
teljesítményét adja meg, azaz a felület egységre eső sugárzási teljesítményt
az összes hullámhosszra összegezve:
M = ĺ * T^4
┌ ┐
│ W │
M * │---│ ---------------------> a kisugárzott felületi teljesítmény
│ mý│
└ ┘
ĺ = 5.670 * 10^-8 * W * m^-2 * K^-4 ----> a Stefan-Boltzman állandó,
Mivel a fekete test a környezetéből el is nyel sugárzást, a nettó
kisugárzott felületi teljesítmény a következő:
┌ ┐
M = ĺ * │T^4 - T^4│
│ u │
└ ┘
┌ ┐
│T │ ----> a fekete test környezetének a termodinamikai hőmérséklete
│ u│
└ ┘
A Rayleigh-Jeans-féle sugárzási törvény jól leírja a fekete test
hőmérsékleti sugárzásának hosszú hullámhossz tartományba eső részét a rövid
hullámhosszoknál azonban túl nagy értékeket szolgáltat ("ultraibolya
katasztrófa"):
2hv^3 T
L = ----- ---
v Cý v
A Planck-féle sugárzási törvény nagy pontossággal írja le a fekete test
sugárzását és igen fontos következménye lett a kvantumelmélet. A kvantumok,
fotonok minden sugárzásnak, - így az IR sugárzásnak is elemi alkotórészei.
2.2. Az infravörös sugarak egyéb kimutatásának módszerei
2.2.1. A maradék sugarak módszere
Egyes kristályoknak, például a kősónak, folypátnak bizonyos szűk IR
tartományban magas visszaverő képessége van. Egy olyan berendezést, amelyben
egy hőmérsékleti sugárzó hullámait NaCl kristály sík felületein többszörös
visszaverődésnek tesszük ki, végül 51 ćm körüli hullámhosszúságú maradék
sugárzás hagyja el.
2.2.2. Lézeres módszer
Bizonyos típusú lézerek intenzív monoenergetikus IR sugárforrások,
például a neodímium (YAG)-lézer lambda = 1.07 ćm hullámhosszúságú sugárzást
bocsát ki. Egy atomot érő sugárzás csak akkor abszorbeálódik, ha energiája
az atom két belső energia szintjének E energia különbségével egyenlő. Tehát
akkor és csak akkor, ha hv = E. Az atom ekkor gerjesztett állapotba kerül.
A gerjesztett atom rövid időn belül ismét leadja a felvett energiát. Az
8. sz. ábra
energia kibocsátás legtöbbször spontán következik be, de egy E energiájú
kvantum is kiválthatja. Ez az indukált emisszió. Egyidejűleg két azonos
energiájú kvantum lép ki, ezért a sugárzás erősítése figyelhető meg.
Amennyiben a sugárzás erősítése a látható, vagy az IR, vagy az UV
hullámhossz tartományban következik be, lézerről beszélünk. (Laser: Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (8. sz. ábra)
2.2.3. Egyéb módszerek
Az IR sugárzás kimutatása történhet még kis hőkapacitású hőmérővel,
termoelemmel (9. sz. ábra) (sorbakapcsolt termoelemekből álló termooszlopról
van szó, a termooszlop forrasztási helyeit befeketítik és laposra préselik,
a termoelemek sötét oldalukkal a sugárforrás felé fordítva helyezkednek el,
az ellenkező oldaluk lehűl), fotocellával (fotocella: fényelem - a ráeső
sugárzás energiájának egy részét közvetlenül elektromos energiává alakító, s
ezáltal a sugárzás hatását elektromos áram keletkezésével jelző berendezés,
amelyben a keletkező áram nagysága a ráeső sugárzás erősségével arányos.
Lényegét olyan fém, vagy félvezető elektród alkotja, amelyből a sugárzás
hatására elektronok lépnek ki, s ezek fotoáramot indítanak. Kapcsolási
módjuktól függően a fotocellákat használják még az IR sugárzás kimutatásán
kívül áramforrásul vagy a más forrásból eredő elektromos áram
megvilágításának megfelelő szabályozójául), fotoelektron-sokszorozóval, vagy
kristálydetektorral (kristálydetektor egy félvezető kristályból és a
kristályt érintő fémcsúcsból áll) és speciális fényképezőlemezekkel
történhet, melynek fényérzékeny rétege különleges anyagból készül.
9. sz. ábra
Az IR tartományban dolgozó készülékek optikai elemei (lencsék, prizmák,
ablakok) kvarcból készülnek, mivel, a közönséges üveg az IR tartományban
erősen abszorbeál (abszorpció: fényelnyelés).
Másrészt viszont néhány olyan anyag, amely a látható fényt elnyeli, az IR
sugárzást átengedi. Jó példa erre a jód széndiszulfidos oldata.