إن الأشعة تحت الحمراء (IR) ، أو ضوء الأشعة تحت الحمراء ، هي نوع من الطاقة المشعة غير مرئية للعين البشرية ولكن يمكننا الشعور بها كحرارة. جميع الأجسام في الكون تنبعث من مستوى ما من الأشعة تحت الحمراء ، ولكن اثنين من أكثر المصادر وضوحًا هما الشمس والنار.
الأشعة تحت الحمراء هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وهي سلسلة من الترددات التي تنتج عندما تمتص الذرات ثم تطلق الطاقة. من أعلى إلى أدنى تردد ، يشمل الإشعاع الكهرومغناطيسي أشعة غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة والموجات الراديوية. تشكل هذه الأنواع من الإشعاع معًا الطيف الكهرومغناطيسي.
اكتشف الفلكي البريطاني ويليام هيرشل ضوء الأشعة تحت الحمراء عام 1800 ، وفقًا لوكالة ناسا. في تجربة لقياس الفرق في درجة الحرارة بين الألوان في الطيف المرئي ، وضع موازين الحرارة في مسار الضوء داخل كل لون من الطيف المرئي. لاحظ زيادة في درجة الحرارة من الأزرق إلى الأحمر ، ووجد قياس درجة حرارة أكثر دفئًا بعد النهاية الحمراء للطيف المرئي.
داخل الطيف الكهرومغناطيسي ، تحدث موجات الأشعة تحت الحمراء بترددات أعلى من الموجات الدقيقة وأقل بقليل من الضوء المرئي الأحمر ، ومن هنا جاء اسم "الأشعة تحت الحمراء". ووفقًا لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ، فإن موجات الأشعة تحت الحمراء أطول من تلك الموجودة في الضوء المرئي. تتراوح ترددات الأشعة تحت الحمراء من حوالي 3 جيجا هرتز (GHz) إلى حوالي 400 تيرا هرتز (THz) ، ويقدر أن أطوال الموجات تتراوح بين 1000 ميكرومتر (ميكرومتر) و 760 نانومتر (2.9921 بوصة) ، على الرغم من أن هذه القيم ليست نهائية ، وفقًا لوكالة ناسا.
على غرار طيف الضوء المرئي ، والذي يتراوح من البنفسجي (أقصر طول موجي للضوء المرئي) إلى الأحمر (أطول طول موجي) ، فإن الأشعة تحت الحمراء لها نطاقها الخاص من أطوال الموجة. إن الموجات الأقصر "القريبة من الأشعة تحت الحمراء" ، القريبة من الضوء المرئي في الطيف الكهرومغناطيسي ، لا تنبعث منها أي حرارة يمكن اكتشافها وهي ما يتم تصريفه من جهاز التحكم عن بُعد الخاص بالتلفزيون لتغيير القنوات. وفقًا لوكالة ناسا ، يمكن الشعور بالموجات الطويلة "تحت الحمراء البعيدة" ، الأقرب إلى قسم الموجات الدقيقة في الطيف الكهرومغناطيسي ، على أنها حرارة شديدة ، مثل الحرارة من ضوء الشمس أو النار.
إن الأشعة تحت الحمراء هي إحدى الطرق الثلاث التي تنتقل بها الحرارة من مكان إلى آخر ، والآخران هما الحمل والتوصيل. كل شيء مع درجة حرارة أعلى من حوالي 5 درجات كلفن (ناقص 450 درجة فهرنهايت أو ناقص 268 درجة مئوية) يصدر إشعاع الأشعة تحت الحمراء. تبعث الشمس نصف طاقتها الإجمالية مثل الأشعة تحت الحمراء ، ويتم امتصاص الكثير من الضوء المرئي للنجم وإعادة إطلاقه مثل الأشعة تحت الحمراء ، وفقًا لجامعة تينيسي.
الاستخدامات المنزلية
تستخدم الأجهزة المنزلية مثل المصابيح الحرارية والمحمصات إشعاع الأشعة تحت الحمراء لنقل الحرارة ، كما تفعل السخانات الصناعية مثل تلك المستخدمة لتجفيف وعلاج المواد. وبحسب وكالة حماية البيئة ، فإن اللمبات المتوهجة تحول نحو 10 في المائة فقط من مدخلاتها من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية مرئية ، بينما يتم تحويل 90 في المائة الأخرى إلى أشعة تحت الحمراء.
يمكن استخدام أشعة الليزر تحت الحمراء للاتصالات من نقطة إلى نقطة عبر مسافات تبلغ بضع مئات الأمتار أو ياردة. تعمل أجهزة التحكم عن بُعد في التلفزيون التي تعتمد على الأشعة تحت الحمراء على إطلاق نبضات من طاقة الأشعة تحت الحمراء من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) إلى مستقبل الأشعة تحت الحمراء في التلفزيون ، وفقًا لـ How Stuff Works. يحول جهاز الاستقبال نبضات الضوء إلى إشارات كهربائية توجه تعليمات المعالج الدقيق لتنفيذ الأمر المبرمج.
الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء
أحد أكثر التطبيقات المفيدة لطيف الأشعة تحت الحمراء هو في الاستشعار والكشف. كل الأجسام الموجودة على الأرض تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء في شكل حرارة. يمكن اكتشاف ذلك عن طريق أجهزة الاستشعار الإلكترونية ، مثل تلك المستخدمة في نظارات الرؤية الليلية وكاميرات الأشعة تحت الحمراء.
مثال بسيط على مثل هذا المستشعر هو مقياس البولومتر ، والذي يتكون من تلسكوب مع مقاوم حساس لدرجة الحرارة ، أو الثرمستور ، في النقطة المحورية ، وفقًا لجامعة كاليفورنيا ، بيركلي (UCB). إذا دخل جسم دافئ إلى مجال رؤية هذا الجهاز ، فإن الحرارة تسبب تغيرًا يمكن اكتشافه في الجهد عبر الثرمستور.
تستخدم كاميرات الرؤية الليلية نسخة أكثر تعقيدًا من مقياس البولومتر. تحتوي هذه الكاميرات عادةً على شرائح تصوير للأجهزة المقترنة بالشحن (CCD) الحساسة لضوء الأشعة تحت الحمراء. يمكن بعد ذلك إعادة إنتاج الصورة التي شكلتها اتفاقية مكافحة التصحر في الضوء المرئي. يمكن جعل هذه الأنظمة صغيرة بما يكفي لاستخدامها في الأجهزة المحمولة أو نظارات الرؤية الليلية القابلة للارتداء. يمكن أيضًا استخدام الكاميرات في مشاهد البندقية مع أو بدون إضافة ليزر IR للاستهداف.
يقيس التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء انبعاثات الأشعة تحت الحمراء من المواد بأطوال موجية محددة. سيُظهر طيف الأشعة تحت الحمراء للمادة انخفاضات وذروات مميزة حيث تمتص أو تنبعث الفوتونات (جزيئات الضوء) بواسطة الإلكترونات في الجزيئات مع انتقال الإلكترونات بين المدارات أو مستويات الطاقة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات الطيفية لتحديد المواد ومراقبة التفاعلات الكيميائية.
وفقًا لروبرت مايانوفيتش ، أستاذ الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري ، فإن التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) ، مفيد للغاية للعديد من التطبيقات العلمية. وتشمل هذه دراسة النظم الجزيئية والمواد ثنائية الأبعاد ، مثل الجرافين.
علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء
يصف Caltech علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء بأنه "كشف ودراسة الأشعة تحت الحمراء (الطاقة الحرارية) المنبعثة من الأجسام في الكون." سمح التقدم في أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء CCD بمراقبة تفصيلية لتوزيع مصادر الأشعة تحت الحمراء في الفضاء ، وكشف الهياكل المعقدة في السدم والمجرات والهيكل الواسع للكون.
تتمثل إحدى مزايا مراقبة الأشعة تحت الحمراء في أنها يمكن أن تكتشف أجسامًا باردة جدًا بحيث لا تصدر ضوءًا مرئيًا. وقد أدى ذلك إلى اكتشاف أجسام غير معروفة سابقًا ، بما في ذلك المذنبات والكويكبات وسحب الغبار بين النجوم الضعيفة التي تنتشر في جميع أنحاء المجرة.
قال روبرت باترسون ، أستاذ علم الفلك في جامعة ولاية ميسوري ، إن علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء مفيد بشكل خاص لمراقبة الجزيئات الباردة للغاز ولتحديد التركيب الكيميائي لجزيئات الغبار في الوسط النجمي. يتم إجراء هذه الملاحظات باستخدام كاشفات CCD المتخصصة الحساسة لفوتونات الأشعة تحت الحمراء.
ميزة أخرى لإشعاع الأشعة تحت الحمراء هي أن طول الموجة الأطول يعني أنه لا يشتت بقدر الضوء المرئي ، وفقًا لوكالة ناسا. بينما يمكن امتصاص الضوء المرئي أو انعكاسه بواسطة جزيئات الغاز والغبار ، فإن موجات الأشعة تحت الحمراء الأطول تدور ببساطة حول هذه العوائق الصغيرة. بسبب هذه الخاصية ، يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لمراقبة الأجسام التي يحجب ضوءها بواسطة الغاز والغبار. تشمل هذه الأجسام نجومًا حديثة التكوين مغمورة في السدم أو مركز مجرة الأرض.
تم تحديث هذه المقالة في 27 فبراير 2019 ، من قبل المساهم في العلوم الحية Traci Pedersen.
