Wat zijn infrarode golven?

De Orion nevel in infrarood licht.
De Orion nevel in infrarood licht. Opname gemaakt met de Spitzer Space Telescope (Credit: NASA)

Infrarode straling of infrarood licht is een type stralingsenergie die onzichtbaar is voor het menselijk oog maar die we wel als warmte kunnen voelen. Alle objecten in het heelal zenden enige vorm van infrarode straling uit. De twee meest voor de hand liggende bronnen zijn de Zon en vuur.

Infrarode straling is een vorm van elektromagnetische straling. Dit is een continuüm van frequenties die worden geproduceerd als atomen energie absorberen en vervolgens weer afgeven. Van de hoogste tot de laagste frequentie bestaat het elektromagnetische spectrum uit gammastraling, röntgenstraling, ultraviolette straling, zichtbaar licht, infrarode straling, microgolfstraling en radiogolven. Samen vormen al deze soorten straling het elektromagnetische spectrum.

Infrarode straling werd in 1800 ontdekt door de Engelse astronoom William Herschel. Tijdens een experiment om het temperatuurverschil tussen de kleuren in het zichtbare spectrum te meten plaatste hij thermometers in het lichtpad van de afzonderlijke kleur van het zichtbare spectrum. Hij zag een temperatuurstijging van blauw naar rood en hij vond een nog hogere temperatuurmeting net voorbij het rode uiteinde van het zichtbare spectrum.

Binnen het elektromagnetische spectrum komen infrarode golven voor bij frequenties boven die van microgolven en net onder die van rood zichtbaar licht. Vandaar ook de naam “infrarood”. Golven van infraroodstraling zijn langer dan die van zichtbaar licht. IR-frequenties variëren van ongeveer 300 GHz tot ongeveer 400 THz en golflengtes worden geschat tussen 1000 micrometer (µm) en 760 nanometer (nm).

Net als het spectrum van zichtbaar licht, dat varieert van violet (de kortste golflengte van zichtbaar licht) tot rood (de langste golflengte), heeft infraroodstraling zijn eigen golflengtebereik. De kortere “nabij-infrarood” golven die dichter bij zichtbaar licht in het elektromagnetische spectrum, zenden geen waarneembare warmte uit. Dit zijn de infrarode stralen die worden gebruikt om bijvoorbeeld de kanalen van je tv te bedienen met je afstandsbediening. De langere infraroodgolven, het “verre infrarood”, bevindt zich dichter bij de microgolven in het elektromagnetische spectrum. Dit zijn de golven die we als intense hitte kunnen voelen, bijvoorbeeld als zonlicht of vuur.

Infrarode straling is een van de drie manieren waarop warmte van de ene plek naar de andere plek kan worden getransporteerd. De andere twee zijn convectie en geleiding. Alles met een temperatuur boven ongeveer -268 °C zendt IR-straling uit. De Zon geeft de helft van zijn totale energie af als IR en veel van het zichtbare licht van de ster wordt geabsorbeerd en opnieuw als IR uitgezonden.

Huishoudelijk gebruik

Huishoudelijke apparaten zoals warmtelampen en broodroosters gebruiken IR-straling om warmte door te geven. Ook industriële kachels zoals voor het drogen en uitharden van materialen doen dit. Gloeilampen zetten slechts ongeveer 10% van hun toegevoerde energie om in zichtbare lichtenergie, de overige 90% wordt omgezet in infrarode straling.

Infraroodlasers kunnen worden gebruikt voor punt-naar-puntcommunicatie over afstanden van enkele honderden meters. TV-afstandsbedieningen die afhankelijk zijn van infraroodstraling schieten pulsen IR-energie van een lichtgevende diode (LED) naar een IR-ontvanger in de tv. De ontvanger zet de lichtpulsen om in elektrische signalen die een microprocessor instrueren om zo het geprogrammeerde commando uit te voeren.

Infrarood detectie

Een van de nuttigste toepassingen van het IR-spectrum is detectie. Alle objecten op Aarde zenden IR-straling uit in de vorm van warmte. Dit kan worden gedetecteerd door elektronische sensoren zoals die gebruikt worden in nachtkijkers en infraroodcamera’s.

Een eenvoudig voorbeeld van zo’n sensor is de bolometer. Deze bestaat uit een telescoop met een temperatuurgevoelige weerstand oftewel thermistor, als brandpunt. Als een warm lichaam in het gezichtsveld van dit instrument komt veroorzaakt de warmte een waarneembare verandering in de spanning over de thermistor.

Nachtzichtcamera’s gebruiken een meer geavanceerde versie van een bolometer. Deze camera’s bevatten doorgaans CCD-chips die gevoelig zijn voor IR-licht. Het door de CCD gevormde beeld kan dan worden gereproduceerd in zichtbaar licht. Deze systemen kunnen klein genoeg worden gemaakt om te worden gebruikt in draagbare apparaten of draagbare nachtkijkers. De camera’s kunnen ook worden gebruikt voor vizieren met of zonder toevoeging van een IR-laser voor het richten.

Infraroodspectroscopie meet IR-emissies van materialen op specifieke golflengtes. Het IR-spectrum van een stof zal een kenmerkend patroon van dipjes en pieken vertonen wanneer fotonen (lichtdeeltjes) worden geabsorbeerd of uitgezonden door elektronen in moleculen. Deze spectroscopische informatie kan gebruikt worden om stoffen te identificeren en chemische reacties te volgen.

Infraroodspectroscopie, zoals FT-IR, is zeer nuttig voor tal van wetenschappelijke toepassingen. Deze omvatten o.a. de studie van moleculaire systemen en 2D-materialen zoals bijvoorbeeld grafeen.

Infrarood astronomie

Infrarood astronomie is de detectie en studie van de infraroodstraling (warmte-energie) die wordt uitgezonden door objecten in het heelal. Ontwikkelingen in IR CCD-beeldvormingssystemen hebben gedetailleerde waarnemingen van IR-bronnen in het heelal mogelijk gemaakt. Tegenwoordig kunnen complexe structuren in nevels, sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het heelal bestudeerd worden.

De Aarde in infrarood licht.
De Aarde in infrarood licht.

Een van de voordelen van IR-waarnemingen is dat het objecten kan detecteren die te koud zijn om zichtbaar licht uit te stralen. Dit heeft geleid tot de ontdekking van voorheen onbekende objecten zoals kometen, asteroïden en interstellaire stofwolken die overal in het heelal voor lijken te komen.

IR-astronomie is bijzonder nuttig voor het observeren van koude gasmoleculen en voor het bepalen van de chemische samenstelling van stofdeeltjes in de interstellaire ruimte. Dergelijke waarnemingen worden uitgevoerd met gespecialiseerde CCD-detectoren die gevoelig zijn voor IR-fotonen.

Een ander voordeel van IR-straling is dat de langere golflengte ervoor zorgt dat het niet zoveel wordt verstrooid als zichtbaar licht. Terwijl zichtbaar licht kan worden geabsorbeerd of gereflecteerd door gas- en stofdeeltjes gaan de langere IR-golven gewoon om deze obstakels heen. Vanwege deze eigenschap kan IR worden gebruikt om objecten te observeren waarvan het licht wordt verduisterd door gas en stof. Dergelijke objecten zijn o.a. nieuw gevormde sterren ingebed in nevels of het centrum van ons sterrenstelsel.

 

 

Eerste publicatie: 3 mei 2015
Volledige revisie: 10 augustus 2020