أخبار عاجلة
الرئيسية » سؤال وجواب » ما هي الاشعة تحت الحمراء Infrared radiation؟

ما هي الاشعة تحت الحمراء Infrared radiation؟

ما هي الاشعة تحت الحمراء Infrared radiation؟

 

الأشعة تحت الحمراء هي نوع من الأشعة الكهرومغناطيسية مثلها مثل امواج الراديو والأشعة فوق البنفسجية وأشعة اكس والميكروويف. ضوء الأشعة تحت الحمراء جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الذي نتعامل معه في حياتنا اليومية، بالرغم من اننا لا نلاحظه. ان الأشعة تحت الحمراء غير مرئية لعين الانسان لكننا نشعر بها كحرارة.

تعتبر الأشعة تحت الحمراء IR radiation من احد الطرق الثلاثة لانتقال الحرارة من مكان لاخر والانواع الثلاثة هي الاشعاع radiation والحمل convection والتوصيل conduction. كل شيء له درجة حرارة اعلى من 5 درجات كلفن اي ما يعادل 268 تحت الصفر يصدر منه أشعة تحت حمراء. تعطي الشمس اكثر من نصف طاقتها في صورة أشعة تحت حمراء وجزء من طيفها المرئي يمتص ويعاد انبعاثه في صورة أشعة تحت حمراء.

تحول مصابيح الضوء  10٪ من الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي وحوالي 90٪ منها يتحول إلى أشعة تحت حمراء. معظم الأجهزة الكهربائية مثل المصابيح والتوستر وفرن الكهرباء تستخدم الأشعة تحت الحمراء في نقل الحرارة، حتى الأجهزة الصناعية المستخدمة في التجفيف ومعالجة المواد. كل هذه التطبيقات تعمل كجسم اسود للاشعاع ومعظم طاقتها عند طول موجي اصغرمن الطول الموجي للضوء المرئي، مع انبعاث للطاقة في منطقة الضوء المرئي باللون الاحمر.

ما هي الاشعة تحت الحمراء Infrared radiation؟
جهاز التحكم في التلفزيون يستخدم امواج الأشعة تحت الحمراء لتغير القنوات والتحكم في كل وظائفه. يوجد في جهاز التحكم دايود LED باعث للضوء تحت الاحمر او ليزر يرسل اشارات ثنائية مشفرة في صورة نبضات تمثل حالتي الفتح والاغلاق on/off. على جهاز التلفزيون يوجد كاشف يعمل على تحويل نبضات الضوء إلى اشارات كهربائية تعطي تعليمات للميكروبروسيسور ليقوم بوظيفة محددة حسب الاشارة المرسلة مثل تغير القنوات او التحكم في شدة الصوت وغيرها من الوظائف. يمكن استخدام جهاز ليزر الأشعة تحت الحمراء في عملية الاتصالات بين نقطتين على مسافة تصل إلى عدة مئات من الامتار.

الطول الموجي والتردد Wavelength and frequency

ينتقل الاشعاع الكهرومغناطيسي في صورة امواج او جسيمات عند اطوال موجة وترددات مختلفة. هذا المدى الواسع من الاطوال الموجية يعرف باسم الطيف الكهرومغناطيسي electromagnetic spectrum.  يقسم الطيف إلى سبعة اقسام مختلفة من حيث الاطوال الموجية لها. تتدرج اقسام الطيف الكهرومغناطيسي من الاقل تردد إلى الاعلى تردد وتعرف تلك الاقسام بامواج الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسيجة وأشعة جاما.

تمتلك الأشعة تحت الحمراء اطوال موجية اطول من الضوء المرئي. وتقع الأشعة تحت الحمراء في مدى الطيف الكهرومغناطيسي بين الميكروويف والضوء المرئي. تمتلك ترددات من 3GHz وحتى 400THz واطوال موجية في المدى من 30cm وحتى 740nm. الأشعة تحت الحمراء غير مرئية لعين الانسان لكن نشعر بها كحرارة اذا كانت شدتها عالية بما فيه الكفاية.

الاكتشاف Discovery

اكتشفت الأشعة تحت الحمراء بواسطة الفلكي البريطاني وليم هيرتشيل William Herschel في العام 1800. قام الفلكي وليم بهيرتشيل تجربة لقياس الفرق في درجة الحرارة للالوان في الطيف المرئي واستخدم لذلك مقياس درجة حرارة وضعه في مسار الضوء داخل كل لون في الطيف المرئي. لحظ زيادة في درجة حرارة من اللون الازرق ‘لى اللون الاحمر وقياس درجات حرارة اعلى مباشرة بعد اللون الاحمر الذي يمثل نهاية الطيف المرئي.

مجسات استشعار بالأشعة تحت الحمراء Infrared sensing

احد اهم التطبيقات المفيدة للأشعة تحت الحمراء هو دورها في عملية الاستشعار والرصد. كل الاجسام على الارض ينبعث منها اشعاع تحت احمر او حرارة ويمكن رصدها باستخدام مجسات الكترونية مثل تلك المستخدمة في نظارات الرؤية الليلية night-vision وكاميرات الأشعة تحت الحمراء infrared cameras.  مثال بسيط على مثل هذه المجسات هو مجس الاستشعار الحراري bolometer والذي يتكون من تلسكوب مزود بمقاومة حساسة لدرجة الحرارة تعرف باسم المقاومة الحرارية thermistor. اذا وقع الجسم في مجال رؤية هذا التلسكوب، فان الحرارة الناتجة عن الجسم سوف تتسبب في حدوث تغيرات في فرق الجهد على طرفي المقاومة الحرارية. تستخدم كاميرات الرؤية الليلية تقنية متطورة عن مقياس الاشعاع الحراري. حيث تحتوي كاميرا الأشعة تحت الحمراء على شريحة CCD اي charge-coupled-device حساسة لضوء الأشعة تحت الحمراء. الصورة المكونة على شريحة CCD، تولد ضوئا مرئيا. يمكن تصنيع هذه الانظمة بحجم صغير لاستخدامها في الأجهزة المحمولة.

يقيس جهاز مطياف الأشعة تحت الحمراء انبعاثات الأشعة تحت الحمراء من المواد عند اطوال موجية محددة. طيف الأشعة تحت الحمراء لمادة محددة سوف يظهر خصائص القمم والقيعان عندما يحدث امتصاص للفوتونات او انبعاث الكترونات في الجزئيات عندما انتقالها بين المدارات او مستويات الطاقة. يمكن استخدام  هذه المعلومات في تحديد المواد في العينات ومراقبة التفاعلات الكيميائية. كما ان مطياف تحويل فورريه للأشعة تحت الحمراء Fourier transform infrared spectroscopy والذي يعرف بـ FTIR. اداة مفيدة جدا في العديد من التطبيقات العلمية، مثل دراسة الانظمة الجزيئية والمواد ثنائية الابعاد مثل الجرافين.

 

علم فلك الأشعة تحت الحمراء Infrared astronomy

يعرف علم فلك الأشعة تحت الحمراء بانه كشف ودراسة الأشعة تحت الحمراء (الطاقة الحرارية) المنبعثة من الاجسام في الكون. وقد سمح التطور الكبير في انظمة CCD للتصوير في مجال الأشعة تحت الحمراء بالحصول على تفاصيل دقيقة لتوزيع مصادر الأشعة تحت الحمراء واستكشاف تراكيب معقدة مثل السدم nebulae والمجرات galaxies والتراكيب الكبيرة جدا في الكون.

من اهم مزايا الرصد باستخدام الأشعة تحت الحمراء هو الكشف عن اجسام باردة جدا لا تشع اي ضوء مرئي. وهذا ادى إلى استكشاف اجسام كانت مجهولة في الماضي مثل المذنبات comets والكويكبات وسحب الغبار بين النجوم والتي تنتشر بين النجوم وبشكل كبير. علم فلك الأشعة تحت الحمراء مهم ومفيد بشكل خاص لدراسة الجزئيات الباردة للغاز وكذلك حبيبات الغبار في الوسط بين الكوكب لتحديد المحتوى الكيميائي لها. اجريت هذه الدراسات باستخدام كواشف CCD خاصة ولها حساسية كبيرة لفوتونات الجسم في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

من المزايا الاخرى للأشعة تحت الحمراء يعتمد على الطول الموجي الطويل لها، وبالتالي فهي لا تعاني من ظاهرة التشتت scattering effect كما في حالة الضوء المرئي. في حين ان الضوء المرئي يمكن ان يمتص او ينعكس بواسطة الغاز والجسيمات الدقيقة مثل الغبار الا ان الأشعة تحت الحمراء ذات الاطوال الموجية الكبيرة تتغلب على مثل هذه المصاعب. لهذا يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء في مراقبة الاجسام التي لا يصلها او يصدر عنها ضوء مرئي. وقد تمكن العلماء مؤخرا برصد الأشعة تحت الحمراء من اكتشاف نجوم جديدة ضمن السدم او في مركز مجرتنا.

معظم اعمال الرصد التي تتم بواسطة الأشعة تحت الحمراء تجرى بواسطة اقمار صناعية لتجنب التداخل مع الغلاف الجوي. ومن اهم هذه الاقمار الصناعية القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء Infrared Astronomical Satellite والذي يختصر بالرموز IRAS والذي وفر صور للسماء عند اطوال موجية مختلفة مثل 12 و25 و60 و100 ميكروميتر. ويعمل مجس هذا القمر عند درجة حرارة تصل إلى 2 درجة كلفن باستخدام الهليوم السائل للتبريد وهذا ما يجعل رحلة القمر قصيرة حيث لا تزيد عن 90 يوما حتى ينفذ الهليوم المستخدم والذي يزود به القمر الصناعي بحدود  73 كيلوجرام. ولكن خلال هذهالفترة يكون القمر الصناعي قد غطى ما يقارب 96٪ من السماء. تم معرفة الكثيرمن المعلومات حول الكوكيبات والمذنبات والسحب الغبارية والحصول على اول صور لمركز المجرة. البيانات التي تم تجميعها بواسطة القمر الصناعي لازالت تستخدم حتى اليوم لتوجيه القياسات التي تجرى عند اطوال موجية اخرى.

ما هي الاشعة تحت الحمراء Infrared radiation؟

اطلاق القمر الصناعي الفلكي بالاشعة تحت الحمراء AKARI في فبراير 2006

منذ ذلك الوقت، انطلق عدد من الاقمار الصناعية للحصول على رصد تفصيلي لاجسام معينة ودراسة مناطق محددة في السماء. لكن لم يتم عمل مسح كامل للسماء حتى العام 2006 حيث قامت وكالة الفضاء اليابانية JAZA من اطلاق القمر الصناعي AKIRI والذي يعني اليابان من اجل الضوء. ادخلت العديد من التحسينات على القمر الصناعي من ناحية انظمة التبريد ليجعل طول الرحلة يستمر حتى 18 شهر اي بحوالي 50٪ اكثر من القمر الصناعي IRAS. كما ان قمر AKIRI زود باجهزة ومجسات اكثر حساسية ودقة تحليلية نتجت عنها صور تحتوي على معلومات ثورية وجديدة.

مقالات مفيدة حول نفس الموضوع على شبكة الفيزياء التعليمية

كيف تعمل كاميرا الرؤية الليلية

الأشعة تحت الحمراء – رؤية ما لا يمكن رؤيته

تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email [email protected]

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *