Näide infrapunase arutelu küsimustest
Pendahuluan
Infrapuna on elektromagnetlaine tüüp, mille lainepikkus on pikem kui nähtaval valgusel, kuid lühem kui raadiolainetel. Infrapunalainetel on lai valik rakendusi, alates tehnoloogiast ja meditsiinist kuni telekommunikatsiooni ja turvalisuseni. Selles artiklis käsitleme mitmeid infrapunaga seotud näidisprobleeme ja nende selgitusi, et sellest kontseptsioonist sügavam arusaam saada.
Infrapuna põhiteooria
Infrapunakiirguse lainepikkus jääb vahemikku 700 nanomeetrit (nm) kuni 1 millimeetrit (mm). Selle lainepikkuse avastas William Herschel 1800. aastal, kui ta viis läbi katseid valgusspektri erinevate värvide temperatuuri mõõtmiseks. Ta leidis, et väljaspool punast spektrit asuvatel piirkondadel, mis on inimsilmale nähtamatud, on tegelikult kõrgemad temperatuurid.
Infrapunakiirgus jaguneb lainepikkuse järgi mitmeks tüübiks:
1. Lähi-infrapuna (NIR): 700 nm – 1.4 µm
2. Keskmine infrapuna (keskmine infrapuna, MIR): 1.4 µm – 3 µm
3. Kaug-infrapuna (FIR): 3 µm – 1 mm
Sellised seadmed nagu infrapunakaamerad või termograafia, kaugjuhtimispuldid ja fiiberoptilised sidevahendid kasutavad infrapunatehnoloogiat mitmesugustel eesmärkidel. Infrapunavalgust saab kasutada ka materjalide koostise analüüsimiseks infrapunaspektroskoopia abil.
Näidisküsimused ja arutelu
Küsimus 1
Küsimus:
Televiisori pult kasutab signaalide edastamiseks telerisse infrapunakiirgust. Kui kasutatava infrapunakiirguse lainepikkus on 950 nm ja valguse kiirus on \(3 \x 10^8 \) m/s, siis milline on infrapunalaine sagedus?
Arutelu:
Elektromagnetlainete sagedust saab arvutada lainepikkuse (\(\lambda\)) ja sageduse (f) vahelise seose põhivalemi abil:
[f = ∫frac{c}{lambda}]
koos:
– \(f \) = sagedus (Hz)
– \(c \) = valguse kiirus (\(3 \x 10^8 \) m/s)
– \( \lambda \) = lainepikkus (m)
Selles küsimuses on lainepikkus (\(\lambda\)) antud nanomeetrites (nm), seega on vaja see meetritesse (m) teisendada:
\[950 \, nm = 950 × 10^{-9} \, m \]
Nüüd asendame need väärtused valemisse:
\[f = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{950 × 10^{-9} \, m} = 3.16 × 10^{14} Hz \]
Seega on infrapunalaine sagedus \(3.16 \x 10^{14} \) Hz.
Küsimus 2
Küsimus:
Infrapunakaamerat kasutatakse objektilt lähtuva soojuskiirguse tuvastamiseks. Kaameral on detektor, mis on tundlik lainepikkuste suhtes vahemikus 8 mikromeetrit (µm) kuni 14 µm. Millist kiirguse sagedusvahemikku kaamera suudab tuvastada?
Arutelu:
Maksimaalse ja minimaalse sageduse arvutamiseks kasutame sama valemit nagu eelmises küsimuses:
[f = ∫frac{c}{lambda}]
Esmalt teisendage lainepikkus mikromeetritest (µm) meetriteks (m):
\[8 \, µm = 8 korda 10^{-6} \, m \]
\[14 \, µm = 14 korda 10^{-6} \, m \]
Nüüd arvutage maksimaalne sagedus (\( f_{max} \)) ja minimaalne sagedus (\( f_{min} \)):
\[f_{max} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{8 × 10^{-6} \, m} = 3.75 × 10^{13} Hz \]
\[f_{min} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{14 × 10^{-6} \, m} = 2.14 × 10^{13} Hz \]
Seega on infrapunakaamera poolt tuvastatav sagedusvahemik \(2.14 \× 10^{13} \) Hz kuni \(3.75 \× 10^{13} \) Hz.
Küsimus 3
Küsimus:
Objekt kiirgab infrapunakiirgust maksimaalse intensiivsusega lainepikkusel 10 µm. Wieni nihkeseaduse põhjal määrake objekti temperatuur. Kasutage Wieni konstanti (\(b\)) _(2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K\).
Arutelu:
Wieni nihkeseadus väidab, et maksimaalse kiirgusintensiivsuse lainepikkuse (\(\lambda_{max}\)) ja objekti absoluuttemperatuuri (T) korrutis on konstant:
[lambda_{max}] punktid T = b
koos:
– \(\lambda_{max}\) = maksimaalse intensiivsuse lainepikkus (m)
– T = objekti temperatuur (K)
– \(b\) = Wieni konstant (\(2.898 × 10^{-3} \, m \cdot K\))
On teada, et \(\lambda_{max}\) on 10 µm, mis tuleb meetriteks teisendada:
\[10 \, µm = 10 korda 10^{-6} \, m \]
Nüüd asenda need väärtused valemisse:
\[10 × 10^{-6} \, m \cdot T = 2.898 × 10^{-3} \, m \cdot K \]
T-i lahendus on:
\[T = \frac{2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K}{10 \x 10^{-6} \, m} = 289.8 \, K \]
Seega on objekti temperatuur 289.8 K.
Küsimus 4
Küsimus:
Sa vaatled orgaanilise keemilise ühendi infrapunaspektrit ja leiad neeldumispiigi 3 µm juures. Kui sa kasutaksid infrapunaspektroskoopiat, siis milline keemiline side võiks selle piigi põhjustada?
Arutelu:
Infrapunaspektroskoopia kasutab ära fakti, et keemilised molekulid neelavad infrapunalaineid kindlatel lainepikkustel, mis vastavad molekulide sisemistele vibratsioonisagedustele. Spetsiifilisi infrapunakiirguse lainepikkusi saab seostada teatud tüüpi keemiliste sidemetega:
– Orgaanilistes ühendites olevad CH-sidemed neelavad tavaliselt lainepikkustel umbes 3 µm.
– Alkoholide ja karboksüülhapete OH-sidemed neelduvad tavaliselt umbes 2.7–3.5 µm juures.
– Amiinides olevad NH-sidemed neelduvad tavaliselt umbes 3.1–3.3 µm juures.
Esitatud teabe põhjal on neeldumispiik 3 µm juures tõenäoliselt tingitud CH4 vibratsioonidest.
Seega on 3 µm juures oleva neeldumispiigi põhjuseks võib-olla orgaanilise keemilise ühendi CH-side.
Järeldus
Selles artiklis oleme käsitlenud mitmeid infrapunalainetega seotud näidisprobleeme ja arutelusid. Nende näidete kaudu saame paremini aru sageduse, lainepikkuse ja temperatuuri põhimõistetest infrapunakiirguse kontekstis ning nende rakendustest spektroskoopias. Infrapuna on elektromagnetilise spektri oluline osa ja sellel on arvukalt rakendusi erinevates valdkondades, seega võib selle uurimine anda kasulikku teavet loodusnähtuste ja tehnoloogia kohta.
