Infrasarkano staru diskusiju jautājumu piemērs
Pendahuluan
Infrasarkanais starojums ir elektromagnētiskā viļņa veids, kura viļņa garums ir garāks par redzamo gaismu, bet īsāks par radioviļņiem. Infrasarkanajiem viļņiem ir plašs pielietojumu klāsts, sākot no tehnoloģijām un medicīnas līdz telekomunikācijām un drošībai. Šajā rakstā mēs apspriedīsim vairākus ar infrasarkano starojumu saistītu problēmu piemērus un to skaidrojumus, lai sniegtu dziļāku izpratni par šo koncepciju.
Infrasarkanās gaismas pamatteorija
Infrasarkanā starojuma viļņa garums ir no 700 nanometriem (nm) līdz 1 milimetram (mm). Šo viļņa garumu 1800. gadā atklāja Viljams Heršels, veicot eksperimentus, lai mērītu dažādu krāsu temperatūru gaismas spektrā. Viņš atklāja, ka apgabalos ārpus sarkanā spektra, kas nav redzami cilvēka acij, patiesībā ir augstāka temperatūra.
Infrasarkanais starojums ir iedalīts vairākās kategorijās atkarībā no viļņa garuma:
1. Tuvais infrasarkanais starojums (NIR): 700 nm–1.4 µm
2. Vidējais infrasarkanais starojums (vidējais infrasarkanais starojums, MIR): 1.4 µm–3 µm
3. Tālais infrasarkanais starojums (FIR): 3 µm–1 mm
Tādas ierīces kā infrasarkanās kameras vai termogrāfija, tālvadības pultis un optiskās šķiedras sakari izmanto infrasarkano tehnoloģiju dažādiem mērķiem. Infrasarkano gaismu var izmantot arī materiālu sastāva analīzei, izmantojot infrasarkano spektroskopiju.
Parauga jautājumi un diskusija
1. jautājums
Jautājums:
Televizora tālvadības pults izmanto infrasarkano staru, lai pārraidītu signālus uz televizoru. Ja izmantotā infrasarkanā starojuma viļņa garums ir 950 nm un gaismas ātrums ir \(3 \x 10^8 \) m/s, kāda ir infrasarkanā viļņa frekvence?
Diskusija:
Elektromagnētisko viļņu frekvenci var aprēķināt, izmantojot viļņa garuma (\(\lambda\)) un frekvences (f) attiecības pamatformulu:
[f = c}, [lambda]
ar:
– \(f \) = frekvence (Hz)
– \(c \) = gaismas ātrums (\(3 \x 10^8 \) m/s)
– \( \lambda \) = viļņa garums (m)
Šajā jautājumā viļņa garums (\(\lambda\)) ir norādīts nanometros (nm), tāpēc ir nepieciešams to pārvērst metros (m):
\[950 \, nm = 950 \x 10^{-9} \, m \]
Tagad mēs šīs vērtības aizstājam formulā:
\[f = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{950 × 10^{-9} \, m} = 3.16 × 10^{14} Hz \]
Tātad infrasarkanā viļņa frekvence ir \(3.16 \x 10^{14} \) Hz.
2. jautājums
Jautājums:
Infrasarkano staru kamera tiek izmantota, lai noteiktu objekta radīto siltuma starojumu. Kamerai ir detektors, kas ir jutīgs pret viļņu garumiem no 8 mikrometriem (µm) līdz 14 µm. Kādu starojuma frekvenču diapazonu kamera var noteikt?
Diskusija:
Lai aprēķinātu maksimālo un minimālo frekvenci, mēs izmantojam to pašu formulu kā iepriekšējā jautājumā:
[f = c}, [lambda]
Vispirms konvertējiet viļņa garumu no mikrometriem (µm) uz metriem (m):
\[8 \, µm = 8 \x 10^{-6} \, m \]
\[14 \, µm = 14 \x 10^{-6} \, m \]
Tagad aprēķiniet maksimālo frekvenci (\( f_{max} \)) un minimālo frekvenci (\( f_{min} \)):
\[f_{max} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{8 × 10^{-6} \, m} = 3.75 × 10^{13} Hz \]
\[f_{min} = \frac{3 × 10^8 \, m/s}{14 × 10^{-6} \, m} = 2.14 × 10^{13} Hz \]
Tātad frekvenču diapazons, ko var noteikt infrasarkanā kamera, ir no \(2.14 \x 10^{13} \) Hz līdz \(3.75 \x 10^{13} \) Hz.
3. jautājums
Jautājums:
Objekts izstaro infrasarkano starojumu ar maksimālo intensitāti 10 µm viļņa garumā. Pamatojoties uz Vīna pārvietojuma likumu, nosakiet objekta temperatūru. Izmantojiet Vīna konstanti (\(b\)) = \(2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K\).
Diskusija:
Vīna pārvietojuma likums nosaka, ka viļņa garuma, pie kura rodas maksimālā starojuma intensitāte (\(\lambda_{max}\)), un objekta absolūtās temperatūras (T) reizinājums ir konstante:
[lambda_{max} cdot T = b]
ar:
– \(\lambda_{max}\) = maksimālās intensitātes viļņa garums (m)
– T = objekta temperatūra (K)
– \(b\) = Vīna konstante (\(2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K\))
Ir zināms, ka \(\lambda_{max}\) ir vienāds ar 10 µm, kas jāpārveido metros:
\[10 \, µm = 10 \x 10^{-6} \, m \]
Tagad aizstājiet šīs vērtības formulā:
\[10 x 10^{-6} \, m \cdot T = 2.898 x 10^{-3} \, m \cdot K \]
T risinājums ir:
\[T = \frac{2.898 \x 10^{-3} \, m \cdot K}{10 \x 10^{-6} \, m} = 289.8 \, K \]
Tātad objekta temperatūra ir 289.8 K.
4. jautājums
Jautājums:
Jūs novērojat organiska ķīmiska savienojuma infrasarkano spektru un atrodat absorbcijas maksimumu pie 3 µm. Ja jūs izmantotu infrasarkano spektroskopiju, kāda veida ķīmiskā saite varētu būt atbildīga par šo maksimumu?
Diskusija:
Infrasarkanā spektroskopija izmanto faktu, ka ķīmiskās molekulas absorbē infrasarkanos viļņus noteiktos viļņu garumos, kas atbilst molekulu iekšējām vibrācijas frekvencēm. Konkrētus infrasarkano viļņu garumus var saistīt ar noteikta veida ķīmiskajām saitēm:
– CH saites organiskajos savienojumos parasti absorbē viļņu garumos aptuveni 3 µm.
– OH saites spirtos un karbonskābēs parasti absorbējas aptuveni 2.7–3.5 µm platumā.
– NH saites amīnos parasti absorbējas aptuveni 3.1–3.3 µm attālumā.
No sniegtās informācijas izriet, ka absorbcijas maksimums pie 3 µm, visticamāk, ir saistīts ar CH vibrācijām.
Tātad, iespējams, par absorbcijas maksimumu pie 3 µm ir atbildīga CH saite organiskajā ķīmiskajā savienojumā.
Secinājums
Šajā rakstā mēs esam apsprieduši vairākus ar infrasarkanajiem viļņiem saistītus problēmu piemērus un diskusijas. Ar šo piemēru palīdzību mēs varam labāk izprast frekvences, viļņa garuma un temperatūras pamatjēdzienus infrasarkanā starojuma kontekstā, kā arī to pielietojumu spektroskopijā. Infrasarkanais starojums ir svarīga elektromagnētiskā spektra daļa, un tam ir daudz pielietojumu dažādās jomās, tāpēc tā izpēte var sniegt noderīgu ieskatu dabas parādībās un tehnoloģijās.
