Bức xạ hồng ngoại (IR), hay ánh sáng hồng ngoại, là một loại năng lượng bức xạ không thể nhìn thấy bằng mắt người nhưng chúng ta có thể cảm thấy như nhiệt. Tất cả các vật thể trong vũ trụ đều phát ra một số mức độ bức xạ hồng ngoại, nhưng hai trong số các nguồn rõ ràng nhất là mặt trời và lửa.
IR là một loại bức xạ điện từ, một tần số liên tục được tạo ra khi các nguyên tử hấp thụ và sau đó giải phóng năng lượng. Từ tần số cao nhất đến tần số thấp nhất, bức xạ điện từ bao gồm tia gamma, tia X, tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến. Cùng với nhau, các loại bức xạ tạo nên phổ điện từ.
Nhà thiên văn học người Anh William Herschel đã phát hiện ra tia hồng ngoại vào năm 1800, theo NASA. Trong một thí nghiệm để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa các màu trong quang phổ nhìn thấy được, ông đã đặt nhiệt kế vào đường đi của ánh sáng trong mỗi màu của quang phổ nhìn thấy được. Anh quan sát thấy sự gia tăng nhiệt độ từ màu xanh sang màu đỏ và anh thấy một phép đo nhiệt độ thậm chí còn ấm hơn ngay ngoài đầu đỏ của quang phổ nhìn thấy được.
Trong phổ điện từ, sóng hồng ngoại xảy ra ở tần số cao hơn tần số của vi sóng và ngay dưới mức ánh sáng nhìn thấy màu đỏ, do đó có tên là "hồng ngoại". Sóng bức xạ hồng ngoại dài hơn sóng ánh sáng khả kiến, theo Viện Công nghệ California (Caltech). Theo tần số của IR, tần số hồng ngoại dao động từ khoảng 3 gigahertz (GHz) đến khoảng 400 terahertz (THz) và bước sóng được ước tính nằm trong khoảng từ 1.000 micromet (Thaym) và 760 nanomet (2.9921 inch), mặc dù các giá trị này không xác định, theo NASA.
Tương tự như phổ ánh sáng khả kiến, từ dải màu tím (bước sóng ánh sáng nhìn thấy ngắn nhất) đến màu đỏ (bước sóng dài nhất), bức xạ hồng ngoại có phạm vi bước sóng riêng. Các sóng "gần hồng ngoại" ngắn hơn, gần với ánh sáng khả kiến hơn trên phổ điện từ, không phát ra bất kỳ nhiệt nào có thể phát hiện được và là những gì được thải ra từ một điều khiển từ xa của TV để thay đổi các kênh. Theo NASA, các sóng "hồng ngoại xa", gần với phần vi sóng trên phổ điện từ hơn, có thể được cảm nhận dưới dạng nhiệt cực mạnh, chẳng hạn như nhiệt từ ánh sáng mặt trời hoặc lửa, theo NASA.
Bức xạ hồng ngoại là một trong ba cách nhiệt được truyền từ nơi này sang nơi khác, hai cách khác là đối lưu và dẫn nhiệt. Mọi thứ có nhiệt độ trên 5 độ Kelvin (âm 450 độ F hoặc âm 268 độ C) đều phát ra bức xạ hồng ngoại. Mặt trời tỏa ra một nửa tổng năng lượng của nó là IR và phần lớn ánh sáng khả kiến của ngôi sao được hấp thụ và phát lại dưới dạng IR, theo Đại học Tennessee.
Sử dụng trong gia đình
Các thiết bị gia dụng như đèn nhiệt và lò nướng bánh sử dụng bức xạ hồng ngoại để truyền nhiệt, cũng như các lò sưởi công nghiệp như các thiết bị được sử dụng để sấy khô và bảo dưỡng vật liệu. Bóng đèn sợi đốt chỉ chuyển đổi khoảng 10% năng lượng điện đầu vào thành năng lượng ánh sáng khả kiến, trong khi 90% còn lại được chuyển đổi thành bức xạ hồng ngoại, theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường.
Laser hồng ngoại có thể được sử dụng để liên lạc điểm tới điểm trong khoảng cách vài trăm mét hoặc thước. Điều khiển từ xa của TV dựa vào bức xạ hồng ngoại bắn ra các xung năng lượng hồng ngoại từ một đi-ốt phát sáng (LED) đến một bộ thu hồng ngoại trong TV, theo How Stuff Works. Máy thu chuyển đổi các xung ánh sáng thành tín hiệu điện hướng dẫn bộ vi xử lý thực hiện lệnh được lập trình.
Cảm biến hồng ngoại
Một trong những ứng dụng hữu ích nhất của phổ IR là trong cảm biến và phát hiện. Tất cả các vật thể trên Trái đất đều phát ra bức xạ hồng ngoại dưới dạng nhiệt. Điều này có thể được phát hiện bởi các cảm biến điện tử, chẳng hạn như những cảm biến được sử dụng trong kính nhìn ban đêm và camera hồng ngoại.
Một ví dụ đơn giản của một cảm biến như vậy là máy đo lực kế, bao gồm một kính thiên văn có điện trở nhạy cảm với nhiệt độ, hoặc nhiệt điện trở, tại tiêu điểm của nó, theo Đại học California, Berkeley (UCB). Nếu một cơ thể ấm áp lọt vào tầm nhìn của thiết bị này, nhiệt sẽ gây ra sự thay đổi có thể phát hiện được của điện áp trên nhiệt điện trở.
Camera quan sát ban đêm sử dụng phiên bản tinh vi hơn của máy đo lực. Những máy ảnh này thường chứa các chip hình ảnh của thiết bị được kết nối sạc (CCD) nhạy với ánh sáng hồng ngoại. Hình ảnh được hình thành bởi CCD sau đó có thể được tái tạo trong ánh sáng khả kiến. Các hệ thống này có thể được chế tạo đủ nhỏ để sử dụng trong các thiết bị cầm tay hoặc kính nhìn đêm có thể đeo được. Các máy ảnh cũng có thể được sử dụng để ngắm súng có hoặc không có thêm tia hồng ngoại để nhắm mục tiêu.
Quang phổ hồng ngoại đo phát xạ hồng ngoại từ các vật liệu ở bước sóng cụ thể. Phổ IR của một chất sẽ cho thấy các điểm cực đại và cực đại đặc trưng khi các photon (hạt ánh sáng) được các electron hấp thụ hoặc phát ra trong các phân tử khi các electron chuyển giữa các quỹ đạo hoặc mức năng lượng. Thông tin phổ này sau đó có thể được sử dụng để xác định các chất và theo dõi các phản ứng hóa học.
Theo Robert Mayanovic, giáo sư vật lý tại Đại học bang Missouri, quang phổ hồng ngoại, như quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), rất hữu ích cho nhiều ứng dụng khoa học. Chúng bao gồm nghiên cứu các hệ thống phân tử và vật liệu 2D, chẳng hạn như graphene.
Thiên văn học hồng ngoại
Caltech mô tả thiên văn học hồng ngoại là "sự phát hiện và nghiên cứu bức xạ hồng ngoại (năng lượng nhiệt) phát ra từ các vật thể trong vũ trụ". Những tiến bộ trong hệ thống hình ảnh IR IR đã cho phép quan sát chi tiết sự phân bố nguồn IR trong không gian, cho thấy các cấu trúc phức tạp trong tinh vân, thiên hà và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ.
Một trong những lợi thế của quan sát hồng ngoại là nó có thể phát hiện các vật thể quá mát để phát ra ánh sáng khả kiến. Điều này đã dẫn đến việc phát hiện ra các vật thể chưa được biết đến trước đây, bao gồm sao chổi, tiểu hành tinh và các đám mây bụi liên sao khôn ngoan dường như đang thịnh hành trên khắp thiên hà.
Thiên văn học IR đặc biệt hữu ích để quan sát các phân tử khí lạnh và để xác định thành phần hóa học của các hạt bụi trong môi trường liên sao, Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học bang Missouri cho biết. Những quan sát này được thực hiện bằng cách sử dụng các máy dò CCD chuyên dụng nhạy cảm với các photon hồng ngoại.
Một ưu điểm khác của bức xạ hồng ngoại là bước sóng dài hơn của nó có nghĩa là nó không tán xạ nhiều như ánh sáng khả kiến, theo NASA. Trong khi ánh sáng khả kiến có thể bị hấp thụ hoặc phản xạ bởi các hạt khí và bụi, thì sóng IR dài hơn chỉ đơn giản đi xung quanh các vật cản nhỏ này. Do tính chất này, IR có thể được sử dụng để quan sát các vật thể có ánh sáng bị che khuất bởi khí và bụi. Những vật thể như vậy bao gồm các ngôi sao mới hình thành được nhúng trong tinh vân hoặc trung tâm của thiên hà Trái đất.
Bài viết này được cập nhật vào ngày 27 tháng 2 năm 2019, bởi người đóng góp Khoa học trực tiếp Traci Pedersen.
