طیف الکترومغناطیسی را بشناسیم؛ اشعه فروسرخ چیست؟

اشعه فروسرخ یا مادون قرمز یکی از انواع تابش های الکترومغناطیسی نظیر امواج رادیویی، اشعه فرابنفش، اشعه ایکس و ریزموج هاست. نور فروسرخ یکی از بخش های طیف الکترومغناطیسی است که همه ما در زندگی روزمره مان با آن برخورد می کنیم و البته بیشتر آن را نادیده می گیریم. چشم انسان قادر به دیدن اشعه فروسرخ نیست اما میتواند گرمای آن را احساس کند.

اشعه فروسرخ یکی از سه راه انتقال گرما از مکانی به مکان دیگر است؛ دو راه دیگر انتقال و رسانش گرمایی است. هر جسمی که دمای آن بالاتر از 268- درجه سانتیگراد باشد، میتواند اشعه فرروسرخ ساطع کند. خورشید نیمی از انرژی اش را به شکل اشعه فروسرخ بیرون می دهد و قسمت قابل توجهی از نور مرئی آن هم جذب می شود و به شکل اشعه فروسرخ دوباره ساطع می شود.

مطالعات نشان داده است که لامپ های رشته ای تنها 10 درصد از انرژی ورودی شان را به نور مرئی تبدیل می کنند و 90 درصد بقیه به اشعه فروسرخ تبدیل می شود. برخی از لوازم خانگی مثل توستر هم از اشعه فروسرخ برای انتقال گرما استفاده می کنند. این روش انتقال گرما در بخاری های صنعتی هم مورد استفاده قرار می گیرد. در این لوازم خانگی و صنعتی، انرژی به شکل تابش جسم سیاه ساطع می شود و اوج انرژی خروجی آن کمتر از طول موج نور مرئی است. به همین خاطر بخشی از انرژی به شکل نور قرمز مرئی ساطع می شود.

کنترل تلویزیون شما هم از امواج فروسرخ برای عوض کردن کانال ها کمک می گیرد. در کنترل ها، یک دیود ساطع کننده نور فروسرخ (یا همان LED) یا لیزر سیگنال هایی را در قالب پالس های خاموش / روشن سریع ارسال می کند. یک ردیاب هم در تلویزیون وجود دارد که این پالس های نوری را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند که فرمان های مختلف را به یک ریزپردازنده می دهند. لیزرهای فروسرخ برای برقراری ارتباط نقطه به نقطه در فاصله های چند صد متری هم استفاده می شود.

طول موج و فرکانس اشعه فروسرخ

تابش های الکترومغناطیسی در امواج یا ذراتی که طول موج ها و فرکانس های مختلفی دارند، منتقل می شود. این طیف گسترده طول موج ها با نام طیف الکترومغناطیسی شناخته می شوند. . این طیف معمولاً به ترتیب کاهش طول موج و افزایش انرژی و فرکانس به هفت منطقه تقسیم می شود. تقسیم بندی رایج طیف مغناطیسی عبارت است از امواج رادیویی، ریزامواج، فروسرخ یا مادون قرمز، نور مرئی، فرانبفش، اشعه ایکس و اشعه گاما.

طول موج امواج فروسخ بلندتر از نور مرئی است و در طرف قرمز طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. اشعه فروسرخ در طیف الکترومغناطیسی بین ریزموج ها و نور مرئی قرار می گیرد. فرکانس آن هم حدود 3 گیگاهرتز تا 400 تراهرتز است و طول موج آن هم حدود 30 سانتیمتر تا 740 نانومتر است. البته این مقادیر قطعی و دقیق نیستند و حدودی هستند.

کشف فروسرخ

یک ستاره شناس انگلیسی به نام ویلیام هرشل نور مادون قرمز را در سال 1800 کشف کرد. این دانشمند در آزمایشی که قصد داشت تفاوت دمای رنگ های مختلف طیف مرئی را اندازه بگیرد، دماسنج را در مسیر هر یک از رنگ های طیف مرئی قرار داد. بررسی های متعدد هرشل نشان داد که دما از رنگ آبی به قرمز افزایش می یابد. این افزایش دما حتی در قسمت قرمز رنگ طیف مری هم دیده میشود.

کارکردهای اشعه فروسرخ

یکی از مهمترین کارکردهای طیف فروسرخ سنجش و تشخیص اشیا است. همه اجسام روی زمین می توانند اشعه فروسرخ یا گرما را که با سنسورهای الکتریکی قابل تشخیص هستند، ساطع کنند. یک نمونه ساده از این سنسورها بلومتر است که یک تلسکوپ مجهز به مقاومت حساس به نور یا گرما در نقطه کانونی اش دارد. اگر یک شب گرم وارد میدان دید دستگاه بشود، حرارت آن باعث تغییر قابل توجه ولتاژ ترمیستور می شود.

دوربین های دید در شب نسخه پیچیده تری از بلومتر را استفاده می کنند. این دوربین ها معمولاً یک تراشه تصویربرداری CCD دارند که به نور فروسرخ حساس است. تصویری که با CCD دوربین ساخته می شود را میتوان با نور مرئی بازسازی کرد. این سیستم ها را میتوان آنقدر کوچک ساخت که عینک های دید در شب هم استفاده شوند. این سیستم برای نشانه گیری در اسلحه های بدون لیزر هم بکار می روند.

طیف سنجی فروسرخ انتشار فروسرخ با طول موج خاص را از اشیای مختلف اندازه گیری می کند. وقتی فوتون ها توسط الکترون های موجود در مولکول جذب یا ساطع می شوند، طیف فروسرخ آن ماده مشخصه اوج و افت را نشان می دهد. بعدها می توان از این اطلاعات برای شناسایی ماده و بررسی واکنش های شیمیایی استفاده کرد. طیف سنجی فروسرخ – مثل طیف سنجی FTIR – کاربردهای علمی متعددی دارد؛ از جمله مطالعه سیستم های مولکولی و مواد دو بعدی نظیر گرافن.

ستاره شناسی با اشعه فروسرخ

ستاره شناسی فروسرخ علم تشخیص و مطالعه اشعه فروسرخ (انرژی گرمایی) ساطع شده از اجرام کیهانی است. سیستم های تصویر برداری فروسرخ CCD پیشرفته امکان مشاهده و رصد دقیق انتشار منابع فروسرخ را فراهم کرده است. به این ترتیب می توان ساختارهای پیچیده موجود در سحابی ها، کهکشان ها و سایر اجتماعات کیهانی بزرگ را مطالعه کرد.

یکی از مزایای رصد فروسرخ امکان شناسایی اجرامی بسیار سردی است که نمی توانند نور مرئی را ساطع کنند. استفاده از همین روش منجر به کشف اجرام ناشناخته ای نظیر ستاره های دنباله دار، سیارک ها و ابرهای غبار بین ستاره ای در کهکشان های دور و نزدیک شده اند. ستاره شناسی فروسرخ بویژه برای مشاهده مولکول های سرد گاز و ذرات گرد و غبار در فضای بین ستاره ای و تشخیص ترکیب شیمیایی آنها مفید است. این نوع رصدها و مشاهدات با استفاده از آشکارسازهای CCD مخصوص که به فوتون های فروسرخ حساس هستند، انجام می شوند.

یکی دیگر از مزایای اشعه فروسرخ این است که بخاطر طول موج بلندش کمتر از نور مرئی پراکنده می شود. نور مرئی قابلیت جذب یا ساطع شدن توسط ذرات گاز و غبار را دارند اما موج های بلند فروسرخ در اطراف این موانع کوچک حرکت می کنند. بخاطر همین ویژگی می توان از اشعه فروسرخ برای مشاهده اجرامی استفاده کرد که نور آنها توسط گاز و غبار جذب شده است. ستاره های تازه متولد شدن دورن سحابی ها یا مرکز کهکشان های بزرگ جزو این موارد محسوب می شود.

بیشتر رصدهای فروسرخ توسط ماهواره ها انجام می شود تا از تداخل جوی جلوگیری شود. یکی از مهمترین این ماهواره ها، ماهواره IRAS است که تصاویری از آسمان با طول موج 12، 25، 60 و 90 میکرومتر تولید می کند. سنسورهای تصویرسازی این ماهواره با استفاده از 75 کیلوگرم هلیوم مایع ابرشاره تا 2 کلوین سرد شده اند. به همین خاطر ماموریت این ماهواره محدودیت زمانی 10 ماهه دارد. با این حال در همین مدت توانست 96 درصد از آسمان را رصد کند. این ماهواره توانسته است چندین سیارک، ستاره دنباله دار و ابر غباری را کشف کند و اولین تصویر را از هسته  کهکشان گرفته است. داده های این ماهواره هنوز هم برای هدایت رصدهای جدید و در طول موج های مختلف استفاده می شود.

از آن زمان تعداد زیادی ماهواره مشابه برای شناخت بیشتر اجرام و مناطق خاصی از آسمان به مدار پرتاب شده اند. با این حال تا سال 2006 هیچکدام از این ماهواره نتوانستند رصد آسمان را کامل کنند. در سال 2006 آژانس فضایی ژاپن ماهواره AKIRI (به معنای نور) را به مدار فرستاد. سیستم برودتی بهبودیافته این ماهواره باعث افزایش دوره ماموریت آن تا 18 ماه شده است (دوبرابر مدت ماموریت IRAS). ماهواره AKIRI سنسورهای حساس تری هم دارد و به همین خاطر تصاویر آن هم حاوی اطلاعات دقیق تر و جزیی تری است.

منبع