Bức xạ hồng ngoại (IR), hay ánh sáng hồng ngoại, là một loại năng lượng bức xạ mắt người không nhìn thấy nhưng chúng ta có thể cảm nhận dưới dạng nhiệt. Mọi vật trong vũ trụ đều phát bức xạ IR ở mức nào đó, song có hai nguồn dễ thấy nhất là mặt trời và ngọn lửa.
IR là một loại bức xạ điện từ, một dải liên tục tần số được tạo ra khi các nguyên tử hấp thụ và sau đó giải phóng năng lượng. Từ tần số cao nhất đến thấp nhất, bức xạ điện từ bao gồm tia gamma, tia X, bức xạ tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại, vi sóng và sóng vô tuyến. Các loại bức xạ này cùng nhau cấu thành phổ điện từ.
Nhà thiên văn học người Anh William Herschel khám phá ánh sáng hồng ngoại vào năm 1800. Trong một thí nghiệm nhằm đo nhiệt độ chênh lệch giữa các màu sắc của quang phổ nhìn thấy, ông đặt các nhiệt kế trên đường đi của ánh sáng trong mỗi màu của phổ nhìn thấy. Ông quan sát thấy một sự tăng nhiệt độ từ đầu xanh đến đỏ, và ông tìm thấy một số đo nhiệt độ còn ấm hơn nữa ngay bên ngoài đầu đỏ của phổ nhìn thấy.
Trong phổ điện từ, các sóng hồng ngoại xuất hiện ở những tần số ngay trên tần số vi sóng và ngay dưới tần số của ánh sáng đỏ, vì thế mà có tên “hồng ngoại”. Bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy. Các tần số IR biến thiên từ khoảng 3 gigahertz (GHz) lên đến khoảng 400 terahertz (THz), và bước sóng ước tính biến thiên từ 1.000 micromet (µm) và 760 nanomet (nm), mặc dù các giá trị này không rõ ràng lắm.
Tương tự như phổ ánh sáng nhìn thấy, nó biến đổi từ tím (bước sóng ánh sáng nhìn thấy ngắn nhất) đến đỏ (bước sóng dài nhất), bức xạ hồng ngoại có phạm vi bước sóng riêng của nó. Các sóng “hồng ngoại gần” bước sóng ngắn hơn, ở gần ánh sáng nhìn thấy hơn trên phổ điện từ, không phát ra bất kì lượng nhiệt nào có thể phát hiện được là cái phóng ra từ remote ti vi khi bạn chuyển kênh. Các sóng “hồng ngoại xa” bước sóng dài hơn, ở gần đoạn vi sóng của phổ điện từ hơn, có thể cảm nhận được dưới dạng nhiệt cường độ mạnh, ví dụ nhiệt đến từ ánh sáng mặt trời hay ngọn lửa.
Bức xạ IR là một trong ba cách để nhiệt truyền từ nơi này đến nơi khác, hai cách kia là đối lưu và dẫn nhiệt. Mọi thứ có nhiệt độ trên khoảng 5 kelvin (âm 268 độ Celsius) đều phát ra bức xạ IR. Mặt Trời giải phóng một nửa năng lượng toàn phần của nó dưới dạng IR, và phần nhiều ánh sáng nhìn thấy của nó được hấp thụ và phát xạ lại dưới dạng IR.
Ảnh chụp Trái Đất trong vùng bước sóng hồng ngoại cho thấy nhiệt độ tương đối trên khắp thế giới. Ảnh chụp bao gồm một cột khí thải carbon monoxide gần Vành đai Lửa cháy rừng gần Vườn quốc gia Yosemite ở California, hôm 26 tháng Tám 2013. Ảnh: NASA/Caltech-JPL/Space Science Institute
Công dụng trong nhà
Các đồ điện gia dụng như đèn sưởi và lò nướng sử dụng bức xạ IR để truyền nhiệt, các lò sưởi công nghiệp cũng làm thế để hong khô và lưu hóa vật liệu. Các bóng đèn nóng sáng chỉ biến đổi khoảng 10 phần trăm điện năng tiêu thụ của chúng thành năng lượng ánh sáng nhìn thấy, còn 90 phần trăm kia biến thành bức xạ hồng ngoại.
Các laser hồng ngoại có thể dùng để truyền thông điểm-điểm trên cự li vài trăm mét. Remote TV hoạt động dựa trên bức xạ hồng ngoại phóng ra các xung năng lượng IR từ một diode phát quang (LED) đến một bộ phận thu IR trên TV. Bộ phận thu biến đổi xung ánh sáng thành tín hiệu điện nạp vào một bộ vi xử lí để thực hiện mệnh lệnh đã được lập trình.
Cảm biến hồng ngoại
Một trong những ứng dụng hữu ích nhất của phổ IR là trong việc cảm biến và dò tìm. Mọi vật trên Trái Đất đều phát ra bức xạ IR ở dạng nhiệt. Bức xạ này có thể phát hiện bằng các cảm biến điện tử, ví dụ các cảm biến dùng trong kính nhìn đêm và camera hồng ngoại.
Một ví dụ đơn giản về một cảm biến như thế là bức xạ nhiệt kế, nó gồm một kính thiên văn gắn một điện trở cảm biến nhiệt độ, hay nhiệt trở, tại tiêu điểm của nó. Nếu một vật thể ấm áp xuất hiện trong trường nhìn của dụng cụ này, thì nhiệt gây ra một sự biến đổi có thể phát hiện được của điện áp hai đầu nhiệt trở.
Camera nhìn đêm sử dụng một phiên bản phức tạp hơn của bức xạ nhiệt kế. Các camera này thường chứa các con chip ghi ảnh kiểu dụng cụ tích điện kép (CCD) nhạy với ánh sáng IR. Hình ảnh tạo bởi CCD sau đó được tái hiện trong phổ nhìn thấy. Các hệ thống này có thể được chế tạo đủ nhỏ để dùng trong các dụng cụ cầm tay hoặc kính nhìn đêm đeo được. Các camera còn có thể dùng ngắm bắn với có hoặc không có một laser IR ngắm.
Quang phổ học hồng ngoại đo sự phát xạ IR từ các vật liệu ở những bước sóng nhất định. Phổ IR của một chất sẽ cho thấy các hõm và đỉnh đặc trưng khi các photon (hạt ánh sáng) bị hấp thụ hoặc phát xạ bởi các electron trong các phân tử khi các electron đó chuyển tiếp giữa các quỹ đạo, hay các mức năng lượng. Thông tin quang phổ này sau đó có thể được dùng để nhận dạng các chất và theo dõi các phản ứng hóa học.
Theo Robert Mayanovic, giáo sư vật lí tại Đại học Bang Missouri, quang phổ hồng ngoại, ví dụ quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), đặc biệt hữu ích cho vô số ứng dụng khoa học. Trong số này bao gồm việc nghiên cứu các hệ phân tử và các vật liệu 2D, ví dụ như graphene.
Thiên văn học hồng ngoại
Caltech (Viện Công nghệ California) mô tả thiên văn học hồng ngoại là “phát hiện và nghiên cứu bức xạ hồng ngoại (năng lượng nhiệt) được phát ra từ các vật thể trong vũ trụ.” Các tiến bộ về các hệ ghi ảnh CCD IR đã cho phép quan sát chi tiết sự phân bố các nguồn IR trong không gian, làm sáng tỏ các cấu trúc phức tạp trong các tinh vâ, các thiên và cấu trúc vĩ mô của vũ trụ.
Một trong những ưu điểm của quan sát IR là nó có thể phát hiện các vật thể quá nguội để phát ra ánh sáng nhìn thấy. Điều này dẫn tới việc khám phá những vật thể trước đó chưa biết, bao gồm các sao chổi, tiểu hành tinh và các đám mây bụi mỏng giữa các sao thường gặp trên khắp thiên hà.
Thiên văn học IR đặc biệt hữu ích cho việc quan sát các phân tử khí lạnh và xác định thành phần hóa học của các hạt bụi trong môi trường giữa các sao, theo lời Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học Bang Missouri. Các quan sát này được tiến hành bằng các detector CCD chuyên dụng nhạy với các photon IR.
Một ưu điểm nữa của bức xạ IR là bước sóng dài hơn của nó khiến nó không tán xạ nhiều như ánh sáng nhìn thấy. Trong khi ánh sáng nhìn thấy có thể bị hấp thụ và phản xạ bởi các hạt khí và bụi, thì các sóng IR dài hơn cứ việc đi vòng va những vật cản nhỏ này. Do tính chất này, IR có thể được dùng dể quan sát các vật thể có ánh sáng bị che chắn bởi chất khí và bụi. Các vật thể như thế bao gồm các sao mới sinh ngập chìm trong các tinh vân hay tâm thiên hà của chúng ta.
Nguồn: LiveScience
