Infrarot: Ich bin unsichtbar, wie finden mich Menschen?

Die Augen sind unser wichtigstes Organ zur Aufnahme von Informationen aus der Außenwelt. Mithilfe des Lichts, das das menschliche Auge empfängt, können wir erkennen, wie die Außenwelt aussieht.

Allerdings ist die Fähigkeit des menschlichen Auges, elektromagnetische Wellen wahrzunehmen, begrenzt. Die elektromagnetischen Wellen, die mit dem Auge wahrnehmbar sind, machen nur einen sehr kleinen Teil der in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Wellen aus. Wir nennen es „sichtbares Licht“ und den anderen Teil „unsichtbares Licht“. Infrarot ist das erste unsichtbare Licht, das der Mensch entdeckt hat. Sein Erscheinen hat den Menschen die Augen geöffnet. Die Welt unter dem unsichtbaren Lichtfeld ist äußerst wundervoll.

Infrarotstrahlen können intuitiv die Oberflächentemperatur von Objekten anzeigen. Tatsächlich bestehen alle Objekte aus einer großen Zahl winziger Teilchen wie Molekülen oder Atomen. Diese winzigen Partikel vibrieren ständig und senden in jedem Moment elektromagnetische Wellen, also Licht, aus. Je höher die Temperatur eines Objekts ist, desto stärker sind die Schwingungen und desto mehr ändert sich die Zusammensetzung des emittierten Lichts. Erhitztes geschmolzenes Eisen strahlt ein orangerotes Glühen aus.

Eisen leuchtet bei Raumtemperatur für das menschliche Auge nicht. Heute wissen wir, dass das von Eisen bei Zimmertemperatur ausgestrahlte Licht unsichtbares Licht ist, das vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann. Wenn die Augen es nicht wahrnehmen können, wie können wir es dann entdecken? Die Geschichte beginnt mit einem Stück Glas und einem Thermometer.

Spektroskopisches Prisma plus Thermometer, Infrarotstrahlen erscheinen

Die bekannteste Analyse und das bekannteste Verständnis von Licht ist Newtons Spektroskopie-Experiment. Als erfahrener Optik-Enthusiast und wichtiger Begründer der Optik erlaubte Newton dem Sonnenlicht, durch ein kleines Loch in einem dunklen Raum in den Raum einzudringen. Nach dem Durchgang durch ein Prisma wurde der Lichtstrahl in verschiedene Lichtfarben aufgeteilt. Wenn Licht unterschiedlicher Farbe durch ein anderes Prisma fällt, ändert sich die Farbe nicht mehr.

Newton glaubte daher, dass weißes Licht eine Mischung aus sieben Lichtfarben sei. Um dieses Phänomen bei Teleskopen zu vermeiden, erfand Newton auch ein astronomisches Spiegelteleskop. Auch die meisten großen astronomischen Teleskope der Welt verwenden heute Spiegelteleskope, bei denen das Licht auf dem Spiegel reflektiert wird, anstatt in das Glas einzudringen. Dadurch kann vermieden werden, dass das Licht in verschiedene Farben aufgeteilt wird und die Auflösung dadurch abnimmt.

An diesem Punkt denkt fast jeder, dass Newtons Erklärung der Zusammensetzung des Lichts bereits sehr vollständig ist. Aber es gab jemanden, der das nicht dachte, und das war Herschel.

Herschels Vater war Astronom. Natürlich interessierte er sich auch für die Beobachtung der Sterne und wurde optischer Forscher. Er leistete viele wichtige Beiträge sowohl zur Astronomie als auch zur Fotografie. Er benannte die Satelliten von Saturn und Uranus, verbesserte das fotografische Verfahren und prägte das Wort „Fotografie“.

Wie entdeckte Herschel die Infrarotstrahlung? Die Menschen wissen seit langem, dass Feuer unsichtbare Wärme abgibt. Im Jahr 1681 entdeckte der Experimentator Marriott, dass die Haut eine andere Wärme empfindet, wenn Sonnenlicht durch Glas fällt, als wenn sie direkt in der Sonne liegt. Herschel kombinierte Newtons Lichtdispersionsexperiment und Marriotts Glasexperiment, um sein eigenes Versuchsgerät zu bauen, und entdeckte so die Existenz von Infrarotstrahlen.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

William Herschel platzierte ein Prisma in einem dunklen Raum, sodass das Sonnenlicht nach dem Durchgang durch das Prisma in verschiedene Lichtfarben zerlegt wurde. Herschel platzierte Thermometer an den Positionen unterschiedlicher Lichtfarben. Er platzierte Thermometer auch in anderen Bereichen als dem roten Licht, wo die Augen scheinbar kein Licht haben. Nach einer Weile stellte er fest, dass die Temperatur des Thermometers, das außerhalb des roten Lichts platziert war, am schnellsten anstieg. Daraus schloss er, dass es im Bereich außerhalb des roten Lichts eine Art Licht geben müsse, das den Temperaturanstieg des Thermometers verursachte. Er nannte es Wärmestrahlen und weil dieses Licht im Bereich außerhalb des roten Lichts entdeckt wurde, wurde es auch Infrarot genannt.

Infrarotstrahlen sind eng mit unserem täglichen Leben verbunden

Wie nützlich ist Infrarot? Dadurch können wir die Temperatur eines Objekts ermitteln, ohne es zu berühren.

Da alle Objekte Infrarotstrahlen aussenden, können Infrarot-Bildgebungsgeräte auch im Dunkeln normal verwendet werden, was im Rettungs-, Militär- und anderen Bereich sehr nützlich ist. Infrarotbilder sind bei astronomischen Beobachtungen sehr wichtig. Moderne Wissenschaftler beobachten die Infraroteigenschaften der Materie im Universum. Im Vergleich zu sichtbarem Licht können Infrarotstrahlen Weltraumstaub durchdringen und mehr Informationen über außerirdische Galaxien übermitteln.

(JWST-Teleskop im Weltraum, verwendet für Infrarot-Bildgebung, Quelle: Wikipedia)

Wir haben bereits erwähnt, dass Glas einen beträchtlichen Anteil der Infrarotstrahlen blockieren kann. Warum ist es dann im Sommer im Auto, das der Sonne ausgesetzt ist, trotzdem sehr heiß? Obwohl die Autofenster das Eindringen von Infrarotstrahlen von außen in das Auto verhindern, verhindern sie auch, dass die von Gegenständen im Auto ausgesandten Infrarotstrahlen nach außen gelangen. Die Infrarotstrahlen werden ständig reflektiert und im Auto gesammelt, wodurch die Temperatur im Auto immer höher wird.

Die Tür zu einer neuen Welt des unsichtbaren Lichts ist jetzt geöffnet

Neben rotem Licht gibt es auch Infrarotlicht. Was ist außer violettem Licht? Ja, es gibt tatsächlich ultraviolettes Licht, und auch seine Entdeckung war das Ergebnis eines Experiments ähnlich dem von Herschel, bei dem das Thermometer jedoch durch einen fotografischen Film ersetzt wurde. Der Film wird auch außerhalb des violetten Lichts schwarz, was darauf hinweist, dass der Film mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurde.

Das Verständnis der Menschen für Licht wird immer umfassender und in unserem Leben sind verschiedene optische Instrumente aufgetaucht, wie etwa Infrarotheizung, Ultraviolettsterilisation, optische Erkennung, Wettervorhersage usw. Mit Hilfe verschiedener unsichtbarer Lichter ist unser Verständnis der Welt umfassender geworden.

Quellen:

[1] Ball SRS, Harkness W, Herschel SJ, et al.Essays in Astronomy[M].D. Appleton & Company, 1900.

[2] Evans DS , Deeming TJ , Evans BH ,et al. Herschel am Kap; Tagebücher und Korrespondenz von Sir John Herschel, 1834-1838[J].Physics Today, 1970, 23(11).DOI:10.1063/1.3021829.

Autor: Wu Qing, Doktorand am Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Li Ming, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.