Le rayonnement infrarouge et ses applications

Le rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde de 0,74 microns à 2 mm est appelé en physique rayonnement infrarouge ou rayons infrarouges, en abrégé « IR ». Il occupe la partie du spectre électromagnétique qui se situe entre le rayonnement optique visible (provenant de la région rouge) et la gamme des radiofréquences à ondes courtes.

Bien que le rayonnement infrarouge ne soit pratiquement pas perçu par l'œil humain comme de la lumière et n'ait pas de couleur spécifique, il appartient néanmoins au rayonnement optique et est largement utilisé dans la technologie moderne.

Les ondes infrarouges, qui sont caractéristiques, chauffent les surfaces des corps, c'est pourquoi le rayonnement infrarouge est aussi souvent appelé rayonnement thermique. Toute la région infrarouge est conditionnellement divisée en trois parties :

• région infrarouge lointain - avec des longueurs d'onde de 50 à 2000 microns;

• région IR moyen - avec des longueurs d'onde de 2,5 à 50 microns;

• région proche infrarouge - de 0,74 à 2,5 microns.

Le rayonnement infrarouge a été découvert dans les années 1800.par l'astronome anglais William Herschel, et plus tard, en 1802, indépendamment par le scientifique anglais William Wollaston.

Spectres IR

Les spectres atomiques obtenus sous forme de rayons infrarouges sont linéaires ; spectres de matière condensée — continus; les spectres moléculaires sont en bandes. La conclusion est que pour les rayons infrarouges, par rapport aux régions visible et ultraviolette du spectre électromagnétique, les propriétés optiques des substances, telles que le coefficient de réflexion, de transmission, de réfraction, sont très différentes.

De nombreuses substances, bien qu'elles transmettent la lumière visible, s'avèrent opaques aux ondes dans une partie de la gamme infrarouge.

Par exemple, une couche d'eau de plusieurs centimètres d'épaisseur est opaque aux ondes infrarouges supérieures à 1 micron, et dans certaines conditions peut être utilisée comme filtre de protection thermique. Et les couches de germanium ou de silicium ne transmettent pas la lumière visible, mais transmettent bien les rayons infrarouges d'une certaine longueur d'onde. Les rayons infrarouges lointains sont facilement transmis par le papier noir et peuvent servir de filtre pour leur isolation.

La plupart des métaux, tels que l'aluminium, l'or, l'argent et le cuivre, réfléchissent le rayonnement infrarouge avec une longueur d'onde plus longue, par exemple, à une longueur d'onde infrarouge de 10 microns, la réflexion des métaux atteint 98 %. Les solides et les liquides de nature non métallique ne reflètent qu'une partie de la gamme IR, en fonction de la composition chimique d'une substance particulière. En raison de ces caractéristiques d'interaction des rayons infrarouges avec divers milieux, ils sont utilisés avec succès dans de nombreuses études.

Diffusion infrarouge

Les ondes infrarouges émises par le Soleil traversant l'atmosphère terrestre sont partiellement diffusées et atténuées par les molécules d'air et les atomes. L'oxygène et l'azote dans l'atmosphère affaiblissent partiellement les rayons infrarouges, les dispersent, mais ne les absorbent pas complètement, car ils absorbent une partie des rayons du spectre visible.

L'eau, le dioxyde de carbone et l'ozone contenus dans l'atmosphère absorbent partiellement les rayons infrarouges, et l'eau les absorbe le plus car ses spectres d'absorption infrarouge se situent sur toute la région du spectre infrarouge et les spectres d'absorption du dioxyde de carbone ne se situent que dans la région médiane. .

Les couches de l'atmosphère proches de la surface de la Terre transmettent très peu le rayonnement infrarouge, car la fumée, la poussière et l'eau l'atténuent davantage, diffusant l'énergie sur leurs particules.Plus les particules sont petites (fumée, poussière, eau, etc.) , plus moins de diffusion IR et plus de diffusion de longueur d'onde visible. Cet effet est utilisé en photographie infrarouge.

Sources de rayonnement infrarouge

Pour nous qui vivons sur Terre, le Soleil est une source naturelle de rayonnement infrarouge très puissante car la moitié de son spectre électromagnétique se situe dans la gamme infrarouge. Lampes à incandescence, le spectre infrarouge représente jusqu'à 80% de l'énergie de rayonnement.

En outre, les sources artificielles de rayonnement infrarouge comprennent: l'arc électrique, les lampes à décharge de gaz et, bien sûr, les appareils de chauffage domestiques des éléments chauffants.En science, pour obtenir des ondes infrarouges, on utilise la broche Nernst, des filaments de tungstène, ainsi que des lampes à mercure à haute pression et même des lasers IR spéciaux (le verre au néodyme donne une longueur d'onde de 1,06 microns et un laser hélium-néon - 1,15 et 3,39 microns, dioxyde de carbone - 10,6 microns).

Récepteurs IR

Le principe de fonctionnement des récepteurs d'ondes infrarouges est basé sur la conversion de l'énergie du rayonnement incident en d'autres formes d'énergie disponibles pour la mesure et l'utilisation. Le rayonnement infrarouge absorbé dans le récepteur chauffe l'élément thermosensible et une élévation de température est enregistrée.

Les récepteurs IR photoélectriques génèrent une tension et un courant électriques en réponse à une partie étroite spécifique du spectre IR pour laquelle ils sont conçus pour fonctionner, c'est-à-dire que les récepteurs photoélectriques IR sont sélectifs. Pour les ondes IR allant jusqu'à 1,2 μm, l'enregistrement photographique est effectué à l'aide d'émulsions photographiques spéciales.

Le rayonnement infrarouge est largement utilisé dans la science et la technologie, en particulier pour résoudre des problèmes de recherche pratiques. Les spectres d'absorption et d'émission des molécules et des solides qui tombent juste dans la région infrarouge sont étudiés.

Cette approche de la recherche s'appelle la spectroscopie infrarouge, qui permet de résoudre des problèmes structurels en effectuant une analyse spectrale quantitative et qualitative. La région de l'infrarouge lointain contient les émissions causées par les transitions entre les sous-plans atomiques. Grâce aux spectres IR, vous pouvez étudier les structures des couches électroniques des atomes.

Et cela sans parler de la photographie, lorsque le même objet photographié d'abord dans le visible puis dans l'infrarouge aura un aspect différent, car en raison de la différence de transmission, de diffusion et de réflexion pour différentes zones du spectre électromagnétique, certains éléments et détails dans un mode de prise de vue inhabituel, il peut manquer complètement: dans une photo ordinaire, quelque chose manquera et dans une photo infrarouge, il deviendra visible.

Les utilisations industrielles et grand public du rayonnement infrarouge ne peuvent être sous-estimées. Il est utilisé pour le séchage et le chauffage de divers produits et matériaux dans l'industrie. Dans les maisons, les locaux sont chauffés.

Les transducteurs électro-optiques utilisent des photocathodes sensibles dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, ce qui vous permet de voir ce qui est invisible à l'œil nu.

Les appareils de vision nocturne vous permettent de voir dans l'obscurité grâce à l'irradiation d'objets par des rayons infrarouges, des jumelles infrarouges - pour l'observation nocturne, des viseurs infrarouges - pour viser dans l'obscurité totale, etc. Au fait, à l'aide du rayonnement infrarouge, vous peut reproduire la norme exacte du mètre.

Des récepteurs très sensibles d'ondes infrarouges permettent de déterminer la direction de divers objets par leur rayonnement thermique, par exemple, les systèmes de guidage de missiles fonctionnent, qui génèrent en outre leur propre rayonnement infrarouge.

Les télémètres et les localisateurs basés sur les rayons infrarouges permettent d'observer certains objets dans l'obscurité et de mesurer la distance avec une grande précision. Les lasers IR sont utilisés dans la recherche scientifique, pour sonder l'atmosphère, pour les communications spatiales, etc.