فروسرخ: دنیای نادیدنی امواج گرما و نور
طیف الکترومغناطیسی و جایگاه فروسرخ
نوری که چشم ما میبیند، فقط بخش کوچکی از دنیای بزرگ امواج الکترومغناطیسی است. این امواج بر اساس طول موج و فرکانسشان مرتب میشوند که به آن طیف الکترومغناطیسی میگوییم. اگر نور مرئی را مانند رنگینکمانی از بنفش تا قرمز تصور کنید، درست بعد از رنگ قرمز، منطقهای قرار دارد که چشم ما قادر به دیدن آن نیست: این منطقه فروسرخ نامیده میشود. «فرو» به معنای پایینتر است، بنابراین فروسرخ به امواجی اشاره دارد که طول موج آنها بلندتر (و فرکانس پایینتر) از نور قرمز مرئی است.
رابطه بین طول موج ($\lambda$) و فرکانس ($f$) با سرعت نور ($c$) به صورت زیر بیان میشود: $ c = f \lambda $ سرعت نور در خلاء ثابت و حدود 300,000,000 متر بر ثانیه است. بنابراین، هر چه طول موج بلندتر باشد، فرکانس کوچکتر است.
| نام تابش | طول موج تقریبی | منبع یا کاربرد شناختهشده |
|---|---|---|
| پرتوهای گاما | کمتر از 0.01 نانومتر | واکنشهای هستهای، پزشکی |
| پرتوهای ایکس | 0.01 تا 10 نانومتر | عکسبرداری از استخوان |
| فرابنفش5 | 10 تا 400 نانومتر | خورشید، لامپهای ضدعفونیکننده |
| نور مرئی | 400 تا 700 نانومتر | خورشید، لامپها، رنگینکمان |
| فروسرخ (مقاله حاضر) | 700 نانومتر تا 1 میلیمتر | گرمای اجسام، کنترل از راه دور، تصویربرداری حرارتی |
| ریزموج6 | 1 میلیمتر تا 30 سانتیمتر | اجاق مایکروویو، ارتباطات راداری |
| امواج رادیویی | بیشتر از 30 سانتیمتر | رادیو، تلویزیون، تلفن همراه |
دستهبندی امواج فروسرخ: نزدیک، میانی و دور
خود محدوده فروسرخ نیز بر اساس خواص و کاربردها به سه بخش اصلی تقسیم میشود:
فروسرخ نزدیک7: این بخش به نور مرئی (قرمز) نزدیکتر است. برخی از حسگرهای ویژه مانند دوربینهای دید در شب نسل اول میتوانند این تابش را تشخیص دهند. کنترل از راه دور تلویزیون شما نیز از یک LED فروسرخ نزدیک برای ارسال سیگنال استفاده میکند.
فروسرخ میانی8: این تابش بیشتر به صورت گرما از اجسام با دمای متوسط مانند بخاری برقی یا بدن انسان ساطع میشود. بخش زیادی از انرژی خورشیدی که به زمین میرسد نیز در این محدوده است.
فروسرخ دور9: این امواج طولموج بلندتری دارند و از اجسام نسبتاً سرد مانند ابرها، زمین در شب یا حتی یک لیوان آب ساده نیز منتشر میشوند. مطالعه این تابش در نجوم برای دیدن اجرام سرد کیهانی بسیار مهم است.
چگونه فروسرخ تولید و احساس میشود؟
همه اجسامی که دمای بالاتر از صفر مطلق (-273.15 درجه سانتیگراد) دارند، تابش فروسرخ از خود ساطع میکنند. هرچه جسم گرمتر باشد، تابش فروسرخ شدیدتر و طول موج کوتاهتری خواهد داشت. این یک قانون فیزیکی مهم است. ما نمیتوانیم این تابش را ببینیم، اما پوست ما آن را به صورت گرما احساس میکند. وقتی مقابل آتش یا یک بخاری میایستید، گرمایی که روی صورتتان حس میکنید، در واقع جذب تابش فروسرخ توسط پوست شماست.
منابع مصنوعی زیادی نیز برای تولید فروسرخ وجود دارند، مانند لامپهای حرارتی، المنتهای سرامیکی در سشوار و حتی یک لامپ معمولی رشتهای که oltre 90% انرژی آن را به صورت نور مرئی و فروسرخ (گرما) تلف میکند!
کاربردهای شگفتانگیز فروسرخ در زندگی و علم
فروسرخ تنها به حس گرما محدود نمیشود. انسان با ساختن وسایل ویژهای به نام دوربین/سنسور فروسرخ، قادر به «دیدن» این جهان نادیدنی شده است. در زیر به برخی از مهمترین کاربردها اشاره میکنیم:
- تصویربرداری حرارتی: دوربینهای ویژهای که تابش فروسرخ را به تصاویر رنگی قابل دیدن تبدیل میکنند. از این فناوری برای پیدا کردن افراد در آتشسوزی، تشخیص نقصهای عایقبندی ساختمان، بررسی سلامت تجهیزات الکتریکی داغ و حتی در پزشکی برای تشخیص مشکلات عروقی استفاده میشود.
- کنترل از راه دور: تقریباً همه کنترلهای تلویزیون، پخشکننده DVD و کولر گازی از یک دیود نورافشان فروسرخ برای ارسال سیگنالهای رمزگذاری شده به دستگاه استفاده میکنند. این نور برای چشم ما نامرئی اما برای سنسور دستگاه قابل دریافت است.
- ستارهشناسی فروسرخ: تلسکوپهای فضایی فروسرخ مانند اسپیتزر10 میتوانند از میان ابرهای غبار کیهانی عبور کنند و تولد ستارهها، کهکشانهای دور و سیارات فراخورشیدی سرد را مطالعه کنند. غبار کیهانی برای نور مرئی مانند دیوار است، اما امواج فروسرخ از آن عبور میکنند.
- ارتباطات فیبر نوری: در برخی از انواع فیبر نوری، از نور فروسرخ نزدیک برای انتقال دادهها با سرعت بسیار بالا استفاده میشود.
- هواشناسی: ماهوارههای هواشناسی با اندازهگیری تابش فروسرخ از زمین و ابرها، میتوانند نقشه دمای سطح زمین و اقیانوسها را تهیه و پدیدههایی مانند طوفانها را رصد کنند.
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
خیر، فروسرخ به طور کلی بیخطر است. تابش فروسرخ بخش طبیعی از نور خورشید است که ما هر روز در معرض آن هستیم و اثر آن عمدتاً گرم کردن سطح پوست است. اما مانند هر منبع گرمایی دیگر، قرار گرفتن در معرض شدید و طولانیمدت (مثلاً در صنایع خاص) میتواند باعث سوختگی یا گرمازدگی شود. این با پرتوهای پرانرژی مانند فرابنفش یا پرتوهای ایکس که میتوانند به سلولها آسیب بزنند، کاملاً متفاوت است.
خیر، هیچ جانوری چشمهایی ندارد که مستقیماً نور فروسرخ را مانند نور مرئی ببیند. اما برخی خزندگان مانند مارها (مار زنگی) دارای اندامهای ویژهای به نام حفرههای چشمی هستند که میتوانند تابش فروسرخ طعمه گرمخون خود را حس کنند و یک «تصویر حرارتی» در ذهنشان بسازند. این به آنها در شکار در تاریکی کمک میکند.
این جمله دقیق نیست. دوربینهای دید در شب به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: ۱) تقویت کننده نور: این دوربینها نور مرئی کم (مثلاً نور ستارگان) را تقویت میکنند تا قابل دیدن شوند و الزاماً از فروسرخ استفاده نمیکنند. ۲) دوربینهای حرارتی: این دوربینها تابش فروسرخ ساطعشده از اجسام را تشخیص میدهند و تصویر میسازند. همچنین برخی دوربینها از پروژکتور فروسرخ نزدیک برای روشن کردن صحنه در تاریکی مطلق استفاده میکنند که چشم انسان آن را نمیبیند، اما سنسور دوربین میبیند.
پاورقی
1 فروسرخ (Infrared - IR): امواج الکترومغناطیسی با طولموج بین نور قرمز مرئی و امواج رادیویی.
2 طول موج (Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی یک موج.
3 طیف الکترومغناطیسی (Electromagnetic Spectrum): محدوده کامل تمام امواج الکترومغناطیسی بر اساس طول موج یا فرکانس.
4 تشخیص حرارتی (Thermal Detection): شناسایی و اندازهگیری تابش فروسرخ ساطعشده از اجسام برای تعیین دمای آنها یا ایجاد تصویر.
5 فرابنفش (Ultraviolet - UV): امواج الکترومغناطیسی با طولموج کوتاهتر از نور بنفش مرئی.
6 ریزموج (Microwave): امواج الکترومغناطیسی با طولموج بلندتر از فروسرخ و کوتاهتر از امواج رادیویی.
7 فروسرخ نزدیک (Near Infrared - NIR): طولموج تقریبی 700 تا 1400 نانومتر.
8 فروسرخ میانی (Mid Infrared - MIR): طولموج تقریبی 3 تا 8 میکرومتر.
9 فروسرخ دور (Far Infrared - FIR): طولموج تقریبی 8 میکرومتر تا 1 میلیمتر.
10 اسپیتزر (Spitzer Space Telescope): یک تلسکوپ فضایی فروسرخ متعلق به ناسا که از سال 2003 تا 2020 فعال بود.
