דוגמה לשאלות דיון באינפרא אדום
פנדהולואן
אינפרא אדום הוא סוג של גל אלקטרומגנטי בעל אורך גל ארוך יותר מאור נראה אך קצר יותר מגלי רדיו. לגלי אינפרא אדום מגוון רחב של יישומים, החל מטכנולוגיה ורפואה ועד טלקומוניקציה ואבטחה. במאמר זה נדון במספר דוגמאות לבעיות הקשורות לאינפרא אדום ובהסברים שלהן כדי לספק הבנה מעמיקה יותר של מושג זה.
תורת האינפרא אדום הבסיסית
לאינפרא אדום יש אורך גל הנע בין 700 ננומטר (ננומטר) למילימטר (מ"מ). אורך גל זה התגלה על ידי ויליאם הרשל בשנת 1800 בעת שערך ניסויים למדידת הטמפרטורה של צבעים שונים בספקטרום האור. הוא גילה שאזורים מחוץ לספקטרום האדום, בלתי נראים לעין האנושית, היו למעשה בעלי טמפרטורות גבוהות יותר.
אינפרא אדום מחולק למספר קטגוריות בהתבסס על אורך הגל שלו:
1. אינפרא אדום קרוב (NIR): 700 ננומטר – 1.4 מיקרומטר
2. אינפרא אדום בינוני (Mid-Infrared, MIR): 1.4 מיקרומטר – 3 מיקרומטר
3. אינפרא אדום רחוק (FIR): 3 מיקרומטר - 1 מ"מ
מכשירים כגון מצלמות אינפרא אדום או תרמוגרפיה, שלטים רחוקים ותקשורת סיבים אופטיים משתמשים בטכנולוגיית אינפרא אדום למגוון מטרות. אור אינפרא אדום יכול לשמש גם לניתוח הרכב חומרים באמצעות ספקטרוסקופיית אינפרא אדום.
שאלות לדוגמה ודיון
שאלה 1
שְׁאֵלָה:
שלט רחוק של טלוויזיה משתמש באינפרא אדום כדי לשדר אותות לטלוויזיה. אם אורך הגל של האינפרא אדום הוא 950 ננומטר ומהירות האור היא 3 כפול 10^8 מטר/שנייה, מהי תדירות גל האינפרא אדום?
דִיוּן:
ניתן לחשב את תדירות הגלים האלקטרומגנטיים באמצעות הנוסחה הבסיסית של הקשר בין אורך הגל (\(\lambda\)) לתדירות (f):
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
עם:
– \(f \) = תדירות (הרץ)
– \(c \) = מהירות האור (\(3 \× 10^8 \) מטר/שנייה)
– \( \lambda \) = אורך גל (מ')
בשאלה זו, אורך הגל (\(\lambda\)) ניתן בננומטרים (nm), לכן יש צורך בהמרה למטרים (m):
[950 ננומטר = 950 כפול 10-9 מטר]
כעת נמקם את הערכים הבאים בנוסחה:
[f = \frac{3 \× 10^8 \, מטר/שנייה}{950 \× 10^{-9} \, מטר} = 3.16 \× 10^{14} הרץ \]
לכן, תדירות גל האינפרא אדום היא 3.16 כפול 1014 הרץ.
שאלה 2
שְׁאֵלָה:
מצלמת אינפרא אדום משמשת לגילוי קרינת חום מעצם. למצלמה יש גלאי הרגיש לאורכי גל שבין 8 מיקרומטר (מיקרומטר) ל-14 מיקרומטר. איזה טווח תדרים של קרינה יכולה המצלמה לזהות?
דִיוּן:
כדי לחשב את התדרים המקסימליים והמינימליים, אנו משתמשים באותה נוסחה כמו בשאלה הקודמת:
\[ f = \frac{c}{\lambda} \]
ראשית, המירו את אורך הגל ממיקרומטרים (µm) למטרים (m):
[8 מיקרומטר = 8 כפול 10-6 מטר]
[14 מיקרומטר = 14 כפול 10-6 מטר]
כעת חשבו את התדירות המקסימלית (\( f_{max} \)) ואת התדירות המינימלית (\( f_{min} \)):
[ f_{max} = \frac{3 \× 10^8 \, מטר/שנייה}{8 \× 10^{-6} \, מטר} = 3.75 \× 10^{13} הרץ \]
[ f_{min} = \frac{3 \× 10^8 \, מטר/שנייה}{14 \× 10^{-6} \, מטר} = 2.14 \× 10^{13} הרץ \]
לכן, טווח התדרים שניתן לזהות על ידי מצלמת האינפרא אדום הוא 2.14 כפול 10⁻¹³ הרץ עד 3.75 כפול 10⁻¹³ הרץ.
שאלה 3
שְׁאֵלָה:
גוף פולט קרינה אינפרא אדומה בעוצמה מקסימלית באורך גל של 10 מיקרומטר. בהתבסס על חוק התזוזה של וין, קבע את הטמפרטורה של הגוף. השתמש בקבוע וין (b) של 2.898 כפול 10⁻³ מ' קלווין.
דִיוּן:
חוק ההעתקה של וין קובע כי המכפלה של אורך הגל שבו מתרחשת עוצמת הקרינה המקסימלית (\(\lambda_{max}\)) והטמפרטורה המוחלטת (T) של העצם היא קבועה:
\[ \lambda_{max} \cdot T = b \]
עם:
– \(\lambda_{max}\) = אורך גל של עוצמה מקסימלית (מ')
– T = טמפרטורת האובייקט (K)
– \(b\) = קבוע וין (\(2.898 \× 10^{-3} \, m \cdot K\))
ידוע ש-\(\lambda_{max}\) הוא 10 מיקרומטר, ויש להמיר אותו למטרים:
[10 מיקרומטר = 10 כפול 10-6 מטר]
כעת, החליפו את הערכים הבאים בנוסחה:
[10 × 10⁻⁶, m = 2.898 × 10⁻⁶, m = K]
הפתרון עבור T הוא:
[T = \frac{2.898 \× 10^{-3} \m \cdot K}{10 \× 10^{-6} \m} = 289.8 \, K]
אז, הטמפרטורה של העצם היא 289.8 קלווין.
שאלה 4
שְׁאֵלָה:
אתם צופים בספקטרום אינפרא אדום של תרכובת כימית אורגנית ומוצאים שיא ספיגה ב-3 מיקרומטר. אם הייתם משתמשים בספקטרוסקופיית אינפרא אדום, איזה סוג של קשר כימי עשוי להיות אחראי לשיא זה?
דִיוּן:
ספקטרוסקופיית אינפרא אדום מנצלת את העובדה שמולקולות כימיות בולעות גלי אינפרא אדום באורכי גל ספציפיים התואמים לתדרי התנודה הפנימיים של המולקולות. אורכי גל אינפרא אדום ספציפיים יכולים להיות קשורים לסוגים ספציפיים של קשרים כימיים:
קשרי CH בתרכובות אורגניות נספגים בדרך כלל באורכי גל של סביב 3 מיקרומטר.
– קשרי OH באלכוהולים ובחומצות קרבוקסיליות נספגים בדרך כלל בסביבות 2.7-3.5 מיקרומטר.
קשרי NH באמינים נספגים בדרך כלל בסביבות 3.1-3.3 מיקרומטר.
מהמידע שסופק, שיא הבליעה ב-3 מיקרומטר נובע ככל הנראה מרעידות CH4.
אז, אולי מה שאחראי לשיא הבליעה ב-3 מיקרומטר הוא קשר CH בתרכובת הכימית האורגנית.
מסקנה
במאמר זה, דנו במספר בעיות לדוגמה ודיונים הקשורים לגלי אינפרא אדום. באמצעות דוגמאות אלו, נוכל להבין לעומק את המושגים הבסיסיים של תדר, אורך גל וטמפרטורה בהקשר של קרינה אינפרא אדום, כמו גם את יישומיהם בספקטרוסקופיה. אינפרא אדום הוא חלק חשוב בספקטרום האלקטרומגנטי ויש לו יישומים רבים בתחומים שונים, כך שחקרתו יכולה לספק תובנות שימושיות לגבי תופעות טבע וטכנולוגיה.
