Was ist Infrarot?

Infrarotstrahlung (IR) oder Infrarotlicht ist eine Art von Strahlungsenergie, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, die wir aber als Wärme fühlen können. Alle Objekte im Universum senden ein gewisses Maß an IR-Strahlung aus, aber zwei der offensichtlichsten Quellen sind Sonne und Feuer.

IR ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, ein Kontinuum von Frequenzen, die erzeugt werden, wenn Atome Energie absorbieren und dann abgeben. Von der höchsten bis zur niedrigsten Frequenz umfasst elektromagnetische Strahlung Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen. Zusammen bilden diese Strahlungsarten das elektromagnetische Spektrum.

Der britische Astronom William Herschel entdeckte laut NASA 1800 Infrarotlicht. In einem Experiment zur Messung des Temperaturunterschieds zwischen den Farben im sichtbaren Spektrum platzierte er Thermometer im Lichtweg innerhalb jeder Farbe des sichtbaren Spektrums. Er beobachtete einen Temperaturanstieg von blau nach rot und fand eine noch wärmere Temperaturmessung direkt hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums.

Innerhalb des elektromagnetischen Spektrums treten Infrarotwellen bei Frequenzen über denen von Mikrowellen und knapp unter denen von rotem sichtbarem Licht auf, daher der Name "Infrarot". Laut dem California Institute of Technology (Caltech) sind die Wellen der Infrarotstrahlung länger als die des sichtbaren Lichts. Die IR-Frequenzen reichen von etwa 300 Gigahertz (GHz) bis etwa 400 Terahertz (THz), und die Wellenlängen werden auf 1.000 Mikrometer geschätzt (µm) und 760 Nanometer (2,9921 Zoll), obwohl diese Werte laut NASA nicht endgültig sind.

Ähnlich wie das Spektrum des sichtbaren Lichts, das von Violett (der kürzesten Wellenlänge des sichtbaren Lichts) bis Rot (der längsten Wellenlänge) reicht, hat Infrarotstrahlung einen eigenen Wellenlängenbereich. Die kürzeren "Nahinfrarot" -Wellen, die näher am sichtbaren Licht des elektromagnetischen Spektrums liegen, geben keine erkennbare Wärme ab und werden von einer TV-Fernbedienung abgegeben, um die Kanäle zu wechseln. Die längeren "Ferninfrarot" -Wellen, die im elektromagnetischen Spektrum näher am Mikrowellenabschnitt liegen, können laut NASA als intensive Hitze empfunden werden, beispielsweise durch Sonnenwärme oder Feuer.

IR-Strahlung ist eine der drei Möglichkeiten, wie Wärme von einem Ort zum anderen übertragen wird, während die beiden anderen Konvektion und Leitung sind. Alles mit einer Temperatur über 5 Grad Kelvin (minus 450 Grad Fahrenheit oder minus 268 Grad Celsius) sendet IR-Strahlung aus. Die Sonne gibt die Hälfte ihrer Gesamtenergie als IR ab, und ein Großteil des sichtbaren Lichts des Sterns wird nach Angaben der Universität von Tennessee als IR absorbiert und wieder emittiert.

Haushaltsgebrauch

Haushaltsgeräte wie Wärmelampen und Toaster verwenden IR-Strahlung zur Wärmeübertragung, ebenso wie Industrieheizgeräte wie solche zum Trocknen und Aushärten von Materialien. Glühbirnen wandeln nur etwa 10 Prozent ihres elektrischen Energieeintrags in sichtbare Lichtenergie um, während die anderen 90 Prozent laut Environmental Protection Agency in Infrarotstrahlung umgewandelt werden.

Infrarotlaser können für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über Entfernungen von einigen hundert Metern oder Metern verwendet werden. TV-Fernbedienungen, die auf Infrarotstrahlung basieren, senden laut How Stuff Works IR-Energieimpulse von einer Leuchtdiode (LED) zu einem IR-Empfänger im TV. Der Empfänger wandelt die Lichtimpulse in elektrische Signale um, die einen Mikroprozessor anweisen, den programmierten Befehl auszuführen.

Infrarotmessung

Eine der nützlichsten Anwendungen des IR-Spektrums ist das Erfassen und Erfassen. Alle Objekte auf der Erde senden IR-Strahlung in Form von Wärme aus. Dies kann durch elektronische Sensoren erfasst werden, wie sie beispielsweise in Nachtsichtbrillen und Infrarotkameras verwendet werden.

Ein einfaches Beispiel für einen solchen Sensor ist das Bolometer, das aus einem Teleskop mit einem temperaturempfindlichen Widerstand oder Thermistor im Mittelpunkt besteht, so die University of California, Berkeley (UCB). Wenn ein warmer Körper in das Sichtfeld dieses Instruments gelangt, verursacht die Wärme eine erkennbare Änderung der Spannung am Thermistor.

Nachtsichtkameras verwenden eine anspruchsvollere Version eines Bolometers. Diese Kameras enthalten typischerweise CCD-Bildgebungschips (Charge Coupled Device), die für IR-Licht empfindlich sind. Das vom CCD erzeugte Bild kann dann im sichtbaren Licht reproduziert werden. Diese Systeme können so klein gemacht werden, dass sie in Handgeräten oder tragbaren Nachtsichtbrillen verwendet werden können. Die Kameras können auch für Visiere mit oder ohne zusätzlichen IR-Laser zum Zielen verwendet werden.

Infrarotspektroskopie misst die IR-Emissionen von Materialien bei bestimmten Wellenlängen. Das IR-Spektrum einer Substanz zeigt charakteristische Einbrüche und Peaks, wenn Photonen (Lichtteilchen) von Elektronen in Molekülen absorbiert oder emittiert werden, wenn die Elektronen zwischen Umlaufbahnen oder Energieniveaus übergehen. Diese spektroskopischen Informationen können dann verwendet werden, um Substanzen zu identifizieren und chemische Reaktionen zu überwachen.

Laut Robert Mayanovic, Professor für Physik an der Missouri State University, ist Infrarotspektroskopie wie die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) für zahlreiche wissenschaftliche Anwendungen äußerst nützlich. Dazu gehört die Untersuchung molekularer Systeme und 2D-Materialien wie Graphen.

Infrarotastronomie

Caltech beschreibt die Infrarotastronomie als "die Erfassung und Untersuchung der Infrarotstrahlung (Wärmeenergie), die von Objekten im Universum emittiert wird". Fortschritte bei IR-CCD-Bildgebungssystemen haben eine detaillierte Beobachtung der Verteilung von IR-Quellen im Weltraum ermöglicht und komplexe Strukturen in Nebeln, Galaxien und die großräumige Struktur des Universums aufgedeckt.

Einer der Vorteile der IR-Beobachtung besteht darin, dass Objekte erkannt werden können, die zu kühl sind, um sichtbares Licht zu emittieren. Dies hat zur Entdeckung bisher unbekannter Objekte geführt, darunter Kometen, Asteroiden und wispy interstellare Staubwolken, die in der gesamten Galaxie verbreitet zu sein scheinen.

Die IR-Astronomie ist besonders nützlich, um kalte Gasmoleküle zu beobachten und die chemische Zusammensetzung von Staubpartikeln im interstellaren Medium zu bestimmen, sagte Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University. Diese Beobachtungen werden mit speziellen CCD-Detektoren durchgeführt, die für IR-Photonen empfindlich sind.

Ein weiterer Vorteil der IR-Strahlung besteht darin, dass sie laut NASA aufgrund ihrer längeren Wellenlänge nicht so stark streut wie sichtbares Licht. Während sichtbares Licht von Gas- und Staubpartikeln absorbiert oder reflektiert werden kann, gehen die längeren IR-Wellen einfach um diese kleinen Hindernisse herum. Aufgrund dieser Eigenschaft kann IR verwendet werden, um Objekte zu beobachten, deren Licht durch Gas und Staub verdeckt wird. Zu diesen Objekten gehören neu gebildete Sterne, die in Nebel oder den Mittelpunkt der Erdgalaxie eingebettet sind.

Zusätzliche Ressourcen:

• Erfahren Sie mehr über Infrarotwellen von NASA Science.
• Lesen Sie mehr über Infrarot vom Gemini Observatory.
• Sehen Sie sich dieses Video an, das die Infrarotsicht von National Geographic beschreibt.

Dieser Artikel wurde am 27. Februar 2019 von Traci Pedersen aktualisiert.