Esimerkki infrapunakeskustelukysymyksistä
Johdanto
Infrapuna on sähkömagneettisen aallon tyyppi, jonka aallonpituus on pidempi kuin näkyvän valon, mutta lyhyempi kuin radioaaltojen. Infrapuna-aalloilla on laaja valikoima sovelluksia teknologiasta ja lääketieteestä televiestintään ja turvallisuuteen. Tässä artikkelissa käsittelemme useita infrapunaan liittyviä esimerkkiongelmia ja niiden selityksiä, jotta saisimme syvemmän ymmärryksen tästä käsitteestä.
Infrapuna-alan perusteet
Infrapuna-aallon aallonpituus vaihtelee 700 nanometristä (nm) 1 millimetriin (mm). William Herschel löysi tämän aallonpituuden vuonna 1800 tehdessään kokeita, joilla hän mittasi valon spektrin eri värien lämpötilaa. Hän havaitsi, että punaisen spektrin ulkopuolisilla alueilla, jotka eivät ole ihmissilmälle näkyvissä, oli itse asiassa korkeammat lämpötilat.
Infrapuna jaetaan useisiin luokkiin aallonpituuden mukaan:
1. Lähi-infrapuna (NIR): 700 nm – 1.4 µm
2. Keskipitkä infrapuna (MIR): 1.4 µm – 3 µm
3. Kaukoinfrapuna (FIR): 3 µm – 1 mm
Laitteet, kuten infrapunakamerat tai termografia, kaukosäätimet ja kuituoptiset tietoliikennelaitteet, käyttävät infrapunateknologiaa moniin tarkoituksiin. Infrapunavaloa voidaan käyttää myös materiaalien koostumuksen analysointiin infrapunaspektroskopian avulla.
Katso myös Soal ja Pembahasan
Kysymys 1
Kysymys:
Television kaukosäädin käyttää infrapunaa signaalien lähettämiseen televisioon. Jos käytetyn infrapunan aallonpituus on 950 nm ja valonnopeus on \(3 \x 10^8 \) m/s, mikä on infrapuna-aallon taajuus?
Keskustelu:
Sähkömagneettisten aaltojen taajuus voidaan laskea aallonpituuden (\(\lambda\)) ja taajuuden (f) välisen suhteen peruskaavalla:
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
kanssa:
– \(f \) = taajuus (Hz)
– \(c \) = valonnopeus (\(3 \x 10^8 \) m/s)
– \( \lambda \) = aallonpituus (m)
Tässä tehtävässä aallonpituus (\(\lambda\)) on annettu nanometreinä (nm), joten muunnos metreiksi (m) on tarpeen:
\[ 950 \, nm = 950 \x 10^{-9} \, m \]
Nyt korvaamme nämä arvot kaavaan:
\[f = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{950 × 10^{-9} \, m} = 3.16 × 10^{14} Hz \]
Joten infrapuna-aallon taajuus on \(3.16 \x 10^{14} \) Hz.
Kysymys 2
Kysymys:
Infrapunakameraa käytetään havaitsemaan kohteen lämpösäteilyä. Kamerassa on ilmaisin, joka on herkkä 8 mikrometrin (µm) ja 14 µm:n aallonpituuksille. Minkä taajuusalueen säteilyä kamera pystyy havaitsemaan?
Keskustelu:
Suurimman ja pienimmän taajuuden laskemiseksi käytämme samaa kaavaa kuin edellisessä kysymyksessä:
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
Muunna ensin aallonpituus mikrometreistä (µm) metreiksi (m):
\[8 \, µm = 8 \x 10^{-6} \, m \]
\[14 \, µm = 14 \x 10^{-6} \, m \]
Laske nyt maksimitaajuus (\( f_{max} \)) ja minimitaajuus (\( f_{min} \)):
\[f_{max} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{8 × 10^{-6} \, m} = 3.75 × 10^{13} Hz \]
\[f_{min} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{14 × 10^{-6} \, m} = 2.14 × 10^{13} Hz \]
Joten infrapunakameran havaitsema taajuusalue on \(2.14 \x 10^{13} \) Hz - \(3.75 \x 10^{13} \) Hz.
Kysymys 3
Kysymys:
Kappale lähettää infrapunasäteilyä, jonka maksimiintensiteetti on 10 µm:n aallonpituudella. Määritä kappaleen lämpötila Wienin siirtymälain perusteella. Käytä Wienin vakiota (\(b\)) = \(2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K\).
Keskustelu:
Wienin siirtymälaki sanoo, että suurimman säteilyintensiteetin aallonpituuden (\(\lambda_{max}\)) ja kappaleen absoluuttisen lämpötilan (T) tulo on vakio:
\[ \lambda_{max} \cdot T = b \]
kanssa:
– \(\lambda_{max}\) = suurimman intensiteetin aallonpituus (m)
– T = kohteen lämpötila (K)
– \(b\) = Wienin vakio (\(2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K\))
Tiedetään, että \(\lambda_{max}\) on 10 µm, joka on muunnettava metreiksi:
\[10 \, µm = 10 \x 10^{-6} \, m \]
Korvaa nyt nämä arvot kaavaan:
\[10 \x 10^{-6} \, m \cdot T = 2 898 \x 10^{-3} \, m \cdot K \]
T:n ratkaisu on:
\[T = \frac{2.898 \times 10^{-3} \, m \cdot K}{10 \times 10^{-6} \, m} = 289.8 \, K \]
Joten kappaleen lämpötila on 289.8 K.
Kysymys 4
Kysymys:
Tarkkailet orgaanisen kemiallisen yhdisteen infrapunaspektriä ja löydät absorbanssipiikin 3 µm:n kohdalla. Jos käyttäisit infrapunaspektroskopiaa, minkä tyyppinen kemiallinen sidos voisi olla vastuussa tästä piikistä?
Keskustelu:
Infrapunaspektroskopia hyödyntää sitä tosiasiaa, että kemialliset molekyylit absorboivat infrapuna-aaltoja tietyillä aallonpituuksilla, jotka vastaavat molekyylien sisäisiä värähtelytaajuuksia. Tietyt infrapuna-aallonpituudet voidaan yhdistää tietyntyyppisiin kemiallisiin sidoksiin:
– Orgaanisten yhdisteiden CH-sidokset absorboivat tyypillisesti noin 3 µm:n aallonpituuksilla.
– Alkoholien ja karboksyylihappojen OH-sidokset absorboituvat tyypillisesti noin 2.7–3.5 µm:n paksuudella.
– Amiinien NH-sidokset absorboituvat tyypillisesti noin 3.1–3.3 µm:n aallonpituudella.
Annettujen tietojen perusteella 3 µm:n absorbanssipiikki johtuu todennäköisimmin CH4-värähtelyistä.
Joten ehkä 3 µm:n absorbanssipiikin syynä on orgaanisen kemiallisen yhdisteen CH-sidos.
Johtopäätös
Tässä artikkelissa olemme käsitelleet useita infrapuna-aaltoon liittyviä esimerkkiongelmia ja keskusteluja. Näiden esimerkkien avulla voimme ymmärtää paremmin taajuuden, aallonpituuden ja lämpötilan peruskäsitteitä infrapunasäteilyn yhteydessä sekä niiden sovelluksia spektroskopiassa. Infrapuna on tärkeä osa sähkömagneettista spektriä ja sillä on lukuisia sovelluksia eri aloilla, joten sen tutkiminen voi tarjota hyödyllisiä näkemyksiä luonnonilmiöistä ja teknologiasta.
