الأشعة تحت الحمراء

الطّيف الكهرومغناطيسيّ

الطّيف الكهرومغناطيسيّ هو عبارة عن مجموعة من الموجات والجُزَيئات الكهرومغناطيسيّة المُنبعِثة بأطوال موجيّة وتردُّدات مُختلفة، ويُقسَم هذا الطّيف إلى سبعة أماكن مُرتّبةٍ حسب تناقُص الطّول الموجيّ، وزيادة الطّاقة، والتردُّد، ومن الأشعّة الكهرومغناطيسيّة الأشعّة تحت الحمراء، والأشعّة فوق البنفسجيّة ، وموجات الرّاديو ، والموجات الصُغريّة المعروفة بأشعّة الميكروويف (بالإنجليزيّة: Microwaves).

الأشعّة تحت الحمراء

الأشعّة تحت الحمراء (بالإنجليزيّة: Infrared Radiation) أشعّة كهرومغناطيسيّة ، لا يستطيع الإنسان الشّعور بها أو رؤيتها؛ فالعين البشريّة لا تستطيع رؤية معظم الطّيف الكهرومغناطيسيّ عدا الضوء المرئيّ، ولكن يمكن للإنسان أن يشعر بحرارتها، وهي إحدى طُرُق نقل الحرارة، تماماً مثل طريقتي: الحمل والتّوصيل. الطّول الموجيّ للأشعّة تحت الحمراء أطول من الطّول الموجيّ للضّوء المرئيّ؛ فهو يتراوح بين 30سم و740 نانومتراً، وبذلك تأتي بعد الضّوء المرئيّ مُباشرةً، وقبل الموجات الصغريّة، أمّا تردُّدها فيتراوح بين التردُّدين 3 جيجاهيرتز و400 تيراهيرتز تقريباً.

تنبعث الأشعّة تحت الحمراء من أيّ جسم ذي درجة حرارة (-268) درجةً مئويّةً، وتنبعث كذلك من الشّمس ؛ حيث إنّ نصف الطّاقة التي تنبعث منها تكون على شكل أشعّة تحت حمراء، كما إنّ مُعظم الضّوء المرئيّ المُنبعِث منها والذي يُمتَصّ أو يُعادُ بعثه يكون على هيئة أشعّة تحت حمراء، وتنبعث أيضاً من المصابيح المتوهّجة التي تحوّل 10% من الطاقة الكهربائيّة إلى ضوء مرئيّ، أمّا ما تبقّى منها ونسبتها 90% منها فتُحوَّل إلى أشعّة تحت حمراء.

اكتشاف الأشعّة تحت الحمراء

اكتُشِفت الأشعّة تحت الحمراء عام 1800م، وذلك عن طريق عالم الفلك البريطانيّ ويليام هيرشل، حيثُ أجرى تجربةً لقياس الاختلاف في درجات الحرارة بين الألوان في الطّيف المرئيّ، فوضع أجهزةً لقياس الحرارة في مسار الضّوء لألوان الطّيف المرئيّ كلّها، وما لاحظه هو زيادة درجة الحرارة عند الانتقال من اللون الأزرق إلى اللون الأحمر، وحتّى بعد اللون الأحمر، فقد كانت درجات الحرارة أيضاً مُرتفعةً.

تطبيقات عمليّة للأشعّة تحت الحمراء

من التّطبيقات العمليّة التي تعتمد الأشعّة تحت الحمراء بعضُ الأجهزة والمعدّات المُستخدَمة في المنازل، ومنها: محمصة الخبز؛ حيث تعتمد على الأشعّة تحت الحمراء لبَعث الحرارة وتسخين الخبز، وكذلك الحال في أنواعٍ مُعيّنةٍ من المصابيح، ومن أبرز استخدامات الأشعّة تحت الحمراء وأشهرها هو استخدامها في أجهزة التحكُّم عن بُعد للتّلفاز؛ حيثُ يعتمد الاتّصال بين جهاز التحكُّم والتلفاز على الأشعّة تحت الحمراء، وفيه تُرسَل البيانات المكوَّنة من النّظام الثنائيّ على شكل نبضاتٍ، فيتلقّى اللاقط الموجود في التلفاز هذه النّبضات، ويُحدّد الأوامر التي يجب أن يقوم بها المعالِج الموجود في التلفاز، مثل: تغيير القناة، أو تحديد مستوى الصوت، أو غير ذلك، ويمكن استخدام هذه الأشعّة في الاتّصال اللاسلكيّ عن بُعدٍ يُقدَّر ببضع مئاتٍ من الأمتار.

ومن أهمّ فوائد الأشعّة تحت الحمراء كشف أماكن الأجسام واسشعارها؛ فأيّ جسم على وجه الأرض يبعث أشعّةً تحت حمراء، وتكون على هيئة حرارة، ويُمكن اللّجوء إلى أنواع من الحسّاسات الإلكترونيّة كالبولومتر للكشف عنها؛ فالنظّارات الليليّة وبعض أنواع آلات التّصوير مبنيّة على هذا الأساس؛ فالبولوميتر جهاز حسّاس للأشعّة تحت الحمراء ، ويتكوَّن من تلسكوب، وحسّاس للحرارة (ثرمستور) موجود داخلَه، وعند دخول جسم يبعث حرارةً في مجال رؤية هذا الجهاز، فإنَّ هذه الحرارة ستؤدّي إلى تغيير فولتيّة الثرمستور، وبهذا سيتمكَّن الجهاز من الكشف عن الأجسام.

تستخدم كاميرات الرّؤية الليليّة نسخةً أكثر تطوُّراً من البولومتر؛ فهي تحتوي جهاز اقتران الشُّحنة (بالإنجليزيّة: CCD)، وهو عبارة عن رُقاقة تصوير حسّاسة لضوء الأشعّة تحت الحمراء، تُحوّل الصّورة المُلتقَطة بواسطة هذه الكاميرات إلى صورة يمكن إنتاجها على شكل ضوء مرئيّ، ومن المُمكن صناعة هذه النُّظُم لتكون صغيرةً بما يكفي؛ لاستخدامها في الأجهزة المحمولة، أو نظّارات الرّؤية الليليّة، أو في فوّهة البندقيّة؛ للتّعيين وتسهيل إصابة الهدف، ويمكن أن يُضاف ليزر أشعّةٍ تحت حمراء معها للتّوجيه.

يستخدم العديد من العلماء الأشعّة تحت الحمراء في مُختلَف المجالات؛ فعلماء الفلك يستخدمونها في دراسة المجرّات التي تبعُد سنين ضوئيّةً عن الأرض، ويعتمد عليها جهاز كشف الآثار علماء الآثار لدراسة الآثار القديمة، وحفظ الأعمال الفنيّة والتاريخيّة القيّمة، إضافةً إلى الكشف عن بعض التّفاصيل التي لا يمكن للعين البشريّة أن تلاحظها في القطع الأثريّة القديمة واللوحات، أمّا في مجال الصّناعة، فتُستخدَم الأشعّة تحت الحمراء في اختبار الأنظمة الميكانيكيّة ورصدها.

سلبيّات الأشعّة تحت الحمراء

تعمل أجهزة التحكُّم عن بُعد التي تستخدم الأشعة تحت الحمراء مُدّةً لا تقلّ عن 25 سنةً، ولكن توجد بعض السلبيّات المُرتبِطة بطبيعة الأشعّة تحت الحمراء نفسها؛ إذ يُقدَّر مدى هذه الأجهزة بحوالي 10م، وهي تتطلَّب أن يكون الجهاز مُوجَّهاً بخطٍّ مُستقيم ومباشر مع اللاقط، وهذا يعني أنَّ إشارة الأشعّة تحت الحمراء لن تستطيع المرور من خلال الجُدران، أو حول الزّوايا .

ومن المشاكل الأخرى التي ترتبط بالأشعّة تحت الحمراء مُشكلة التّداخُل؛ نظراً للتوسُّع الكبير في استخدامها؛ فالأشعّة تحت الحمراء مُنتشرة انتشاراً كبيراً، فهي موجودة في أشعّة الشمس، كما تنبعث من جسم الإنسان، والمصابيح الفلوريّة، ويُعدّ هذا دليلاً على مدى انتشارها في حياة الإنسان اليوميّة، ولتجنُّب تداخل أشّعة أجهزة التحكُّم عن بُعد مع مصادر أخرى للأشعّة تحت الحمراء كالتي سبق ذِكرُها، فإنّه تتمّ معايرة جهاز استقبال هذه الأشعّة في التّلفاز؛ ليستجيب لطولٍ موجيٍّ مُعيَّنٍ فقط دون غيره، وهو عادةً 980 نانومتراً، حيث تُصفّى الأطوال الموجيّة الأخرى عن طريق جهاز الاستقبال ذاته.

رغم مُعايرة أجهزة الاستقبال ما زال من المُمكن تداخُل أشعّة الشّمس مع إشارة جهاز التحكُّم؛ لأنَّها تحتوي الطّول الموجيّ نفسه الذي تمّت برمجة جهاز الاستقبال عليه ليستجيب لها، ولمعالجة هذه المشكلة، يُبرمَج جهاز التحكُّم عن بُعدٍ بحيث يستخدم تردُّداتٍ غير موجودة في أشعّة الشّمس، ولكنّ هذه الطّريقة ليست مثاليّةً، إلّا أنّها كافية للحدّ بشكل كبير من التّداخلات.