Cos'è l'infrarosso?

La radiazione infrarossa (IR), o luce infrarossa, è un tipo di energia radiante invisibile agli occhi umani ma che possiamo percepire come calore. Tutti gli oggetti nell'universo emettono un certo livello di radiazioni IR, ma due delle sorgenti più ovvie sono il sole e il fuoco.

L'IR è un tipo di radiazione elettromagnetica, un continuum di frequenze prodotte quando gli atomi assorbono e poi rilasciano energia. Dalla frequenza più alta a quella più bassa, le radiazioni elettromagnetiche includono raggi gamma, raggi X, radiazioni ultraviolette, luce visibile, radiazioni infrarosse, microonde e onde radio. Insieme, questi tipi di radiazioni costituiscono lo spettro elettromagnetico.

L'astronomo britannico William Herschel ha scoperto la luce infrarossa nel 1800, secondo la NASA. In un esperimento per misurare la differenza di temperatura tra i colori nello spettro visibile, ha posizionato i termometri nel percorso della luce all'interno di ogni colore dello spettro visibile. Ha osservato un aumento della temperatura dal blu al rosso e ha trovato una misurazione della temperatura ancora più calda appena oltre l'estremità rossa dello spettro visibile.

All'interno dello spettro elettromagnetico, le onde infrarosse si verificano a frequenze superiori a quelle delle microonde e appena sotto quelle della luce rossa visibile, da cui il nome "infrarosso". Le onde di radiazione infrarossa sono più lunghe di quelle della luce visibile, secondo il California Institute of Technology (Caltech). Le frequenze IR vanno da circa 300 gigahertz (GHz) fino a circa 400 terahertz (THz) e si stima che le lunghezze d'onda siano comprese tra 1.000 micrometri (µm) e 760 nanometri (2.9921 pollici), sebbene questi valori non siano definitivi, secondo la NASA.

Simile allo spettro della luce visibile, che va dal viola (la lunghezza d'onda della luce visibile più corta) al rosso (lunghezza d'onda più lunga), la radiazione infrarossa ha una propria gamma di lunghezze d'onda. Le onde più corte del "vicino infrarosso", che sono più vicine alla luce visibile sullo spettro elettromagnetico, non emettono calore rilevabile e sono quelle che vengono scaricate da un telecomando TV per cambiare canale. Secondo la NASA, le onde più lunghe del "lontano infrarosso", che sono più vicine alla sezione delle microonde sullo spettro elettromagnetico, possono essere percepite come un calore intenso, come il calore della luce solare o del fuoco..

La radiazione IR è uno dei tre modi in cui il calore viene trasferito da un luogo all'altro, mentre gli altri due sono convezione e conduzione. Tutto ciò con una temperatura superiore a circa 5 gradi Kelvin (meno 450 gradi Fahrenheit o meno 268 gradi Celsius) emette radiazioni IR. Il sole emette metà della sua energia totale come IR e gran parte della luce visibile della stella viene assorbita e riemessa come IR, secondo l'Università del Tennessee.

Usi domestici

Gli elettrodomestici come le lampade di calore e i tostapane utilizzano la radiazione IR per trasmettere il calore, così come i riscaldatori industriali come quelli utilizzati per l'essiccazione e la stagionatura dei materiali. Secondo l'Environmental Protection Agency, le lampadine a incandescenza convertono solo circa il 10 percento della loro energia elettrica immessa in energia luminosa visibile, mentre l'altro 90 percento viene convertito in radiazioni infrarosse..

I laser a infrarossi possono essere utilizzati per comunicazioni punto a punto su distanze di poche centinaia di metri o iarde. I telecomandi della TV che si basano sulla radiazione infrarossa emettono impulsi di energia IR da un diodo a emissione di luce (LED) a un ricevitore IR nella TV, secondo How Stuff Works. Il ricevitore converte gli impulsi luminosi in segnali elettrici che istruiscono un microprocessore a eseguire il comando programmato.

Rilevamento a infrarossi

Una delle applicazioni più utili dello spettro IR è il rilevamento e il rilevamento. Tutti gli oggetti sulla Terra emettono radiazioni IR sotto forma di calore. Questo può essere rilevato da sensori elettronici, come quelli utilizzati negli occhiali per la visione notturna e nelle telecamere a infrarossi.

Un semplice esempio di tale sensore è il bolometro, che consiste in un telescopio con un resistore sensibile alla temperatura, o termistore, nel suo punto focale, secondo l'Università della California, Berkeley (UCB). Se un corpo caldo entra nel campo visivo di questo strumento, il calore provoca una variazione rilevabile della tensione ai capi del termistore.

Le telecamere per la visione notturna utilizzano una versione più sofisticata di un bolometro. Queste telecamere in genere contengono chip di imaging CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) sensibili alla luce IR. L'immagine formata dal CCD può quindi essere riprodotta in luce visibile. Questi sistemi possono essere sufficientemente piccoli da essere utilizzati in dispositivi portatili o occhiali indossabili per la visione notturna. Le telecamere possono essere utilizzate anche per mirini con o senza l'aggiunta di un laser IR per il targeting.

La spettroscopia a infrarossi misura le emissioni IR da materiali a lunghezze d'onda specifiche. Lo spettro IR di una sostanza mostrerà cali e picchi caratteristici quando i fotoni (particelle di luce) vengono assorbiti o emessi dagli elettroni nelle molecole durante la transizione degli elettroni tra orbite o livelli di energia. Queste informazioni spettroscopiche possono quindi essere utilizzate per identificare le sostanze e monitorare le reazioni chimiche.

Secondo Robert Mayanovic, professore di fisica presso la Missouri State University, la spettroscopia a infrarossi, come la spettroscopia a infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR), è molto utile per numerose applicazioni scientifiche. Questi includono lo studio di sistemi molecolari e materiali 2D, come il grafene.

Astronomia a infrarossi

Caltech descrive l'astronomia a infrarossi come "il rilevamento e lo studio della radiazione infrarossa (energia termica) emessa da oggetti nell'universo". I progressi nei sistemi di imaging IR CCD hanno consentito l'osservazione dettagliata della distribuzione delle sorgenti IR nello spazio, rivelando strutture complesse in nebulose, galassie e la struttura su larga scala dell'universo.

Uno dei vantaggi dell'osservazione IR è che può rilevare oggetti troppo freddi per emettere luce visibile. Ciò ha portato alla scoperta di oggetti precedentemente sconosciuti, tra cui comete, asteroidi e sottili nuvole di polvere interstellare che sembrano essere prevalenti in tutta la galassia.

L'astronomia IR è particolarmente utile per osservare le molecole fredde di gas e per determinare la composizione chimica delle particelle di polvere nel mezzo interstellare, ha affermato Robert Patterson, professore di astronomia presso la Missouri State University. Queste osservazioni sono condotte utilizzando rilevatori CCD specializzati che sono sensibili ai fotoni IR.

Un altro vantaggio della radiazione IR è che la sua lunghezza d'onda maggiore significa che non disperde tanto quanto la luce visibile, secondo la NASA. Mentre la luce visibile può essere assorbita o riflessa da particelle di gas e polvere, le onde IR più lunghe aggirano semplicemente questi piccoli ostacoli. A causa di questa proprietà, IR può essere utilizzato per osservare oggetti la cui luce è oscurata da gas e polvere. Tali oggetti includono stelle di nuova formazione incorporate nelle nebulose o nel centro della galassia terrestre.

Risorse addizionali:

• Ulteriori informazioni sulle onde infrarosse da NASA Science.
• Maggiori informazioni sugli infrarossi dall'Osservatorio Gemini.
• Guarda questo video che descrive la visione a infrarossi, dal National Geographic.

Questo articolo è stato aggiornato il 27 febbraio 2019 dal collaboratore Traci Pedersen.