ઇન્ફ્રારેડ ચર્ચા પ્રશ્નોનું ઉદાહરણ
પેન્ડાહુલુઆન
ઇન્ફ્રારેડ એ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગનો એક પ્રકાર છે જેની તરંગલંબાઇ દૃશ્યમાન પ્રકાશ કરતાં લાંબી હોય છે પરંતુ રેડિયો તરંગો કરતાં ટૂંકી હોય છે. ઇન્ફ્રારેડ તરંગોમાં ટેકનોલોજી અને દવાથી લઈને ટેલિકોમ્યુનિકેશન અને સુરક્ષા સુધીના વિવિધ ઉપયોગો છે. આ લેખમાં, અમે આ ખ્યાલની ઊંડી સમજણ આપવા માટે ઇન્ફ્રારેડ સંબંધિત કેટલીક સમસ્યાઓ અને તેમના ખુલાસાઓની ચર્ચા કરીશું.
મૂળભૂત ઇન્ફ્રારેડ થિયરી
ઇન્ફ્રારેડ કિરણોની તરંગલંબાઇ 700 નેનોમીટર (nm) થી 1 મિલીમીટર (mm) સુધીની હોય છે. આ તરંગલંબાઇ 1800 માં વિલિયમ હર્શેલ દ્વારા પ્રકાશ સ્પેક્ટ્રમમાં વિવિધ રંગોના તાપમાનને માપવા માટે પ્રયોગો કરતી વખતે શોધી કાઢવામાં આવી હતી. તેમણે જોયું કે લાલ સ્પેક્ટ્રમની બહારના પ્રદેશો, જે માનવ આંખને અદ્રશ્ય છે, ખરેખર વધુ તાપમાન ધરાવે છે.
ઇન્ફ્રારેડને તેની તરંગલંબાઇના આધારે ઘણી શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે:
1. નીયર-ઇન્ફ્રારેડ (NIR): 700 nm – 1.4 µm
2. મધ્યમ ઇન્ફ્રારેડ (મધ્ય-ઇન્ફ્રારેડ, MIR): 1.4 µm – 3 µm
૩. ફાર-ઇન્ફ્રારેડ (FIR): ૩ µm – ૧ મીમી
ઇન્ફ્રારેડ કેમેરા અથવા થર્મોગ્રાફી, રિમોટ કંટ્રોલ અને ફાઇબર-ઓપ્ટિક કોમ્યુનિકેશન જેવા ઉપકરણો વિવિધ હેતુઓ માટે ઇન્ફ્રારેડ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરે છે. ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી દ્વારા સામગ્રીની રચનાનું વિશ્લેષણ કરવા માટે પણ ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.
નમૂના પ્રશ્નો અને ચર્ચા
પ્રશ્ન ૧
પ્રશ્ન:
ટીવી રિમોટ ટીવી પર સિગ્નલ ટ્રાન્સમિટ કરવા માટે ઇન્ફ્રારેડનો ઉપયોગ કરે છે. જો વપરાયેલ ઇન્ફ્રારેડની તરંગલંબાઇ 950 nm હોય અને પ્રકાશની ગતિ \(3 \ગુણા 10^8 \) m/s હોય, તો ઇન્ફ્રારેડ તરંગની આવૃત્તિ કેટલી હશે?
ચર્ચા:
ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોની આવર્તનની ગણતરી તરંગલંબાઇ (\(\lambda\)) અને આવર્તન (f) વચ્ચેના સંબંધના મૂળભૂત સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે:
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
સાથે:
– \( f \) = આવર્તન (Hz)
– \( c \) = પ્રકાશની ગતિ (\(3 \ગુણા 10^8 \) મીટર/સેકન્ડ)
– \( \lambda \) = તરંગલંબાઇ (મી)
આ પ્રશ્નમાં, તરંગલંબાઇ (\(\lambda\)) નેનોમીટર (nm) માં આપવામાં આવી છે, તેથી મીટર (m) માં રૂપાંતર જરૂરી છે:
\[ 950 \, nm = 950 \ગુણા 10^{-9} \, m \]
હવે આપણે આ મૂલ્યોને સૂત્રમાં બદલીએ છીએ:
\[ f = \frac{3 \ગુણા 10^8 \, મીટર/સેકન્ડ}{950 \ગુણા 10^{-9} \, મીટર} = 3.16 \ગુણા 10^{14} હર્ટ્ઝ \]
તેથી, ઇન્ફ્રારેડ તરંગની આવૃત્તિ \(3.16 \times 10^{14} \) Hz છે.
પ્રશ્ન ૧
પ્રશ્ન:
ઇન્ફ્રારેડ કેમેરાનો ઉપયોગ પદાર્થમાંથી ઉષ્મા કિરણોત્સર્ગ શોધવા માટે થાય છે. કેમેરામાં 8 માઇક્રોમીટર (µm) અને 14 µm વચ્ચેની તરંગલંબાઇ પ્રત્યે સંવેદનશીલ ડિટેક્ટર હોય છે. કેમેરા રેડિયેશનની કેટલી આવર્તન શ્રેણી શોધી શકે છે?
ચર્ચા:
મહત્તમ અને લઘુત્તમ ફ્રીક્વન્સીઝની ગણતરી કરવા માટે, આપણે પાછલા પ્રશ્નમાં આપેલા સૂત્રનો ઉપયોગ કરીએ છીએ:
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
પ્રથમ, તરંગલંબાઇને માઇક્રોમીટર (µm) થી મીટર (m) માં રૂપાંતરિત કરો:
\[ ૧૪ \, µm = ૧૪ \ગુણા ૧૦^{-૬} \, m \]
\[ ૧૪ \, µm = ૧૪ \ગુણા ૧૦^{-૬} \, m \]
હવે મહત્તમ આવર્તન (\( f_{max} \)) અને લઘુત્તમ આવર્તન (\( f_{min} \)) ની ગણતરી કરો:
\[ f_{મહત્તમ} = \frac{3 \ગુણા 10^8 \, મીટર/સેકન્ડ}{8 \ગુણા 10^{-6} \, મીટર} = 3.75 \ગુણા 10^{13} હર્ટ્ઝ \]
\[ f_{મિનિટ} = \frac{3 \ગુણા 10^8 \, મીટર/સેકન્ડ}{14 \ગુણા 10^{-6} \, મીટર} = 2.14 \ગુણા 10^{13} હર્ટ્ઝ \]
તેથી, ઇન્ફ્રારેડ કેમેરા દ્વારા શોધી શકાય તેવી આવર્તન શ્રેણી \(2.14 \times 10^{13} \) Hz થી \(3.75 \times 10^{13} \) Hz છે.
પ્રશ્ન ૧
પ્રશ્ન:
કોઈ પદાર્થ 10 µm ની તરંગલંબાઈ પર મહત્તમ તીવ્રતા સાથે ઇન્ફ્રારેડ કિરણોત્સર્ગ ઉત્સર્જિત કરે છે. વિએનના વિસ્થાપનના નિયમના આધારે, પદાર્થનું તાપમાન નક્કી કરો. વિએનના સ્થિરાંક (\(b\)) નો \(2.898 \ગુણા 10^{-3} \, m \cdot K\) ઉપયોગ કરો.
ચર્ચા:
વિએનનો વિસ્થાપન નિયમ જણાવે છે કે મહત્તમ કિરણોત્સર્ગ તીવ્રતા (\(\lambda_{max}\)) અને પદાર્થના સંપૂર્ણ તાપમાન (T) તરંગલંબાઇનો ગુણાકાર એક અચળ છે:
\[ \lambda_{max} \cdot T = b \]
સાથે:
– \(\lambda_{max}\) = મહત્તમ તીવ્રતાની તરંગલંબાઇ (m)
– T = પદાર્થનું તાપમાન (K)
– \(b\) = વિયેનનો સ્થિરાંક (\(2.898 \ગુણા 10^{-3} \, m \cdot K\))
તે જાણીતું છે કે \(\lambda_{max}\) 10 µm છે, જેને મીટરમાં રૂપાંતરિત કરવાની જરૂર છે:
\[ ૧૪ \, µm = ૧૪ \ગુણા ૧૦^{-૬} \, m \]
હવે આ મૂલ્યોને સૂત્રમાં બદલો:
\[ ૧૦ \ગુણા ૧૦^{-૬} \, મી \cdot ટી = ૨,૮૯૮ \ગુણા ૧૦^{-૩} \, મી \cdot કે \]
T માટે ઉકેલ છે:
\[ T = \frac{2.898 \ગુણા 10^{-3} \, m \cdot K}{10 \ગુણા 10^{-6} \, m} = 289.8 \, K \]
તો, પદાર્થનું તાપમાન 289.8 K છે.
પ્રશ્ન ૧
પ્રશ્ન:
તમે એક કાર્બનિક રાસાયણિક સંયોજનના ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રમનું અવલોકન કરો છો અને 3 µm પર શોષકતાનું શિખર શોધો છો. જો તમે ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરી રહ્યા હોત, તો આ શિખર માટે કયા પ્રકારનું રાસાયણિક બંધન જવાબદાર હોઈ શકે છે?
ચર્ચા:
ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ હકીકતનો ઉપયોગ કરે છે કે રાસાયણિક પરમાણુઓ ચોક્કસ તરંગલંબાઇ પર ઇન્ફ્રારેડ તરંગોને શોષી લે છે જે પરમાણુઓની આંતરિક કંપનશીલ આવૃત્તિઓને અનુરૂપ હોય છે. ચોક્કસ ઇન્ફ્રારેડ તરંગલંબાઇ ચોક્કસ પ્રકારના રાસાયણિક બંધનો સાથે સંકળાયેલ હોઈ શકે છે:
- કાર્બનિક સંયોજનોમાં CH બોન્ડ સામાન્ય રીતે 3 µm ની આસપાસ તરંગલંબાઇ પર શોષાય છે.
- આલ્કોહોલ અને કાર્બોક્સિલિક એસિડમાં રહેલા OH બોન્ડ સામાન્ય રીતે 2.7-3.5 µm ની આસપાસ શોષાય છે.
- એમાઇન્સમાં NH બોન્ડ સામાન્ય રીતે 3.1-3.3 µm ની આસપાસ શોષાય છે.
આપેલી માહિતી મુજબ, 3 µm પર શોષણ ટોચ મોટે ભાગે CH સ્પંદનોને કારણે હોય છે.
તો, કદાચ 3 µm પર શોષણ ટોચ માટે જવાબદાર કાર્બનિક રાસાયણિક સંયોજનમાં CH બંધન છે.
કેસિમ્પુલન
આ લેખમાં, આપણે ઇન્ફ્રારેડ તરંગો સંબંધિત અનેક ઉદાહરણો સમસ્યાઓ અને ચર્ચાઓ પર ચર્ચા કરી છે. આ ઉદાહરણો દ્વારા, આપણે ઇન્ફ્રારેડ રેડિયેશનના સંદર્ભમાં આવર્તન, તરંગલંબાઇ અને તાપમાનના મૂળભૂત ખ્યાલો તેમજ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં તેમના ઉપયોગોને વધુ સમજી શકીએ છીએ. ઇન્ફ્રારેડ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સ્પેક્ટ્રમનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે અને વિવિધ ક્ષેત્રોમાં તેના અસંખ્ય ઉપયોગો છે, તેથી તેનો અભ્યાસ કરવાથી કુદરતી ઘટનાઓ અને ટેકનોલોજીમાં ઉપયોગી આંતરદૃષ્ટિ મળી શકે છે.
