Infraroodstraling (IR) of infraroodlicht is een soort stralingsenergie die onzichtbaar is voor menselijke ogen, maar die we als warmte kunnen voelen. Alle objecten in het universum zenden een zekere mate van IR-straling uit, maar twee van de meest voor de hand liggende bronnen zijn de zon en het vuur.
IR is een type elektromagnetische straling, een continuüm van frequenties die worden geproduceerd wanneer atomen energie absorberen en vervolgens afgeven. Van de hoogste tot de laagste frequentie omvat elektromagnetische straling gammastraling, röntgenstraling, ultraviolette straling, zichtbaar licht, infraroodstraling, microgolven en radiogolven. Samen vormen deze soorten straling het elektromagnetische spectrum.
De Britse astronoom William Herschel ontdekte in 1800 infraroodlicht, volgens NASA. In een experiment om het temperatuurverschil tussen de kleuren in het zichtbare spectrum te meten, plaatste hij thermometers in het lichtpad binnen elke kleur van het zichtbare spectrum. Hij zag een temperatuurstijging van blauw naar rood en hij vond een nog warmere temperatuurmeting net voorbij het rode uiteinde van het zichtbare spectrum.
Binnen het elektromagnetische spectrum komen infraroodgolven voor bij frequenties boven die van microgolven en net onder die van rood zichtbaar licht, vandaar de naam 'infrarood'. Golven van infraroodstraling zijn langer dan die van zichtbaar licht, volgens het California Institute of Technology (Caltech). IR-frequenties variëren van ongeveer 3 gigahertz (GHz) tot ongeveer 400 terahertz (THz), en golflengten worden geschat tussen 1.000 micrometer (µm) en 760 nanometer (2.9921 inch), hoewel deze waarden volgens NASA niet definitief zijn.
Vergelijkbaar met het spectrum van zichtbaar licht, dat varieert van violet (de kortste golflengte van zichtbaar licht) tot rood (langste golflengte), heeft infraroodstraling zijn eigen golflengtebereik. De kortere "bijna-infrarood" -golven, die dichter bij zichtbaar licht op het elektromagnetische spectrum staan, zenden geen waarneembare warmte uit en zijn wat wordt afgevoerd door de afstandsbediening van een tv om de kanalen te veranderen. De langere "ver-infrarode" golven, die dichter bij het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum liggen, kunnen volgens NASA als intense hitte worden gevoeld, zoals de hitte van zonlicht of vuur.
IR-straling is een van de drie manieren waarop warmte van de ene plaats naar de andere wordt overgebracht, de andere twee zijn convectie en geleiding. Alles met een temperatuur boven ongeveer 5 graden Kelvin (minus 450 graden Fahrenheit of minus 268 graden Celsius) zendt IR-straling uit. De zon geeft de helft van zijn totale energie af als IR, en veel van het zichtbare licht van de ster wordt geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden als IR, volgens de University of Tennessee.
Huishoudelijk gebruik
Huishoudelijke apparaten zoals warmtelampen en broodroosters gebruiken IR-straling om warmte door te geven, evenals industriële kachels zoals die voor het drogen en uitharden van materialen. Gloeilampen zetten slechts ongeveer 10 procent van hun elektrische energie-input om in zichtbare lichtenergie, terwijl de andere 90 procent wordt omgezet in infraroodstraling, volgens de Environmental Protection Agency.
Infraroodlasers kunnen worden gebruikt voor point-to-point-communicatie over afstanden van enkele honderden meters of yards. TV-afstandsbedieningen die afhankelijk zijn van infraroodstraling, schieten pulsen van IR-energie van een lichtgevende diode (LED) naar een IR-ontvanger in de tv, volgens How Stuff Works. De ontvanger zet de lichtpulsen om in elektrische signalen die een microprocessor instrueren om het geprogrammeerde commando uit te voeren.
Infrarood detectie
Een van de handigste toepassingen van het IR-spectrum is detectie en detectie. Alle objecten op aarde zenden IR-straling uit in de vorm van warmte. Dit kan worden gedetecteerd door elektronische sensoren, zoals die worden gebruikt in nachtkijkers en infraroodcamera's.
Een eenvoudig voorbeeld van zo'n sensor is de bolometer, die bestaat uit een telescoop met een temperatuurgevoelige weerstand, of thermistor, als brandpunt, volgens de University of California, Berkeley (UCB). Als een warm lichaam in het gezichtsveld van dit instrument komt, veroorzaakt de warmte een waarneembare verandering in de spanning over de thermistor.
Nachtzichtcamera's gebruiken een meer geavanceerde versie van een bolometer. Deze camera's bevatten doorgaans CCD-chips (Charge Coupled Device) die gevoelig zijn voor IR-licht. Het door de CCD gevormde beeld kan dan worden gereproduceerd in zichtbaar licht. Deze systemen kunnen klein genoeg worden gemaakt om te worden gebruikt in draagbare apparaten of draagbare nachtkijkers. De camera's kunnen ook worden gebruikt voor vizieren met of zonder toevoeging van een IR-laser voor richten.
Infraroodspectroscopie meet IR-emissies van materialen met specifieke golflengten. Het IR-spectrum van een stof vertoont karakteristieke dalingen en pieken wanneer fotonen (lichtdeeltjes) worden geabsorbeerd of uitgezonden door elektronen in moleculen als de elektronenovergang tussen banen of energieniveaus. Deze spectroscopische informatie kan vervolgens worden gebruikt om stoffen te identificeren en chemische reacties te volgen.
Volgens Robert Mayanovic, hoogleraar natuurkunde aan de Missouri State University, is infraroodspectroscopie, zoals Fourier-transformatie-infrarood (FTIR) -spectroscopie, zeer nuttig voor tal van wetenschappelijke toepassingen. Deze omvatten de studie van moleculaire systemen en 2D-materialen, zoals grafeen.
Infrarood astronomie
Caltech beschrijft infraroodastronomie als 'de detectie en studie van de infraroodstraling (warmte-energie) die wordt uitgezonden door objecten in het heelal'. Vooruitgang in IR CCD-beeldvormingssystemen hebben gedetailleerde observatie van de distributie van IR-bronnen in de ruimte mogelijk gemaakt, waardoor complexe structuren in nevels, sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het universum zijn onthuld.
Een van de voordelen van IR-waarneming is dat het objecten kan detecteren die te koel zijn om zichtbaar licht uit te zenden. Dit heeft geleid tot de ontdekking van voorheen onbekende objecten, waaronder kometen, asteroïden en piekerige interstellaire stofwolken die overal in de melkweg lijken te voorkomen.
IR-astronomie is bijzonder nuttig voor het observeren van koude gasmoleculen en voor het bepalen van de chemische samenstelling van stofdeeltjes in het interstellaire medium, zei Robert Patterson, hoogleraar astronomie aan de Missouri State University. Deze waarnemingen worden uitgevoerd met gespecialiseerde CCD-detectoren die gevoelig zijn voor IR-fotonen.
Een ander voordeel van IR-straling is dat het dankzij de langere golflengte niet zoveel verstrooit als zichtbaar licht, aldus NASA. Terwijl zichtbaar licht kan worden geabsorbeerd of gereflecteerd door gas- en stofdeeltjes, gaan de langere IR-golven eenvoudig om deze kleine obstructies heen. Vanwege deze eigenschap kan IR worden gebruikt om objecten te observeren waarvan het licht wordt verduisterd door gas en stof. Dergelijke objecten zijn onder meer nieuw gevormde sterren ingebed in nevels of het centrum van het sterrenstelsel van de aarde.
Dit artikel is op 27 februari 2019 bijgewerkt door WordsSideKick.com-bijdrager Traci Pedersen.
