अवरक्त प्रारण

अवरक्त प्रारण : विद्युत चुंबकीय प्रारणाचा (रेडिओ तरंग, दृश्य प्रकाश, क्ष-किरण व गॅमा किरण या सर्व विद्युत् चुंबकीय तरंगांचा समावेश असलेल्या प्रारणाचा, → विद्युत् चुंबकीय प्रारण) तांबड्या रंगाच्या तरंगलांबीपेक्षाही मोठी तरंगलांबी असलेला व सर्वसाधारणपणे ०.८ µ ते सुमारे १०००µ (µ=मायक्रॉन=१०^-४सेंमी.) या दरम्यान तरंगलांबी असलेला भाग हा ‘अवरक्त प्रारण’ म्हणून ओळखला जातो. माणसाच्या डोळ्यास दृश्यमान होणारी कमाल तरंगलांबी ०.७५µ ही या अवरक्त किरणांच्या तरंगलांबीची खालची मर्यादा आहे परंतु वरची मर्यादा तितकीशी स्पष्ट नाही. बर्‍याच वेळा औष्णिक प्रारणमापन-पद्धती लागू पडतील, अशा तरंगलांबीपर्यंत (सुमारे ३५०µ) ही मर्यादा मानली जाते. परंतु अलीकडे, सूक्ष्मतरंग-मापन-पद्धतींमुळे ती रेडिओ-वर्णपटातही थोड्या प्रमाणात म्हणजे १ सेंमी. पर्यंत असल्याचे दिसून आले आहे.

अवरक्त किरणांच्या तरंगलांबीसाठी मायक्रॉन हा एकक सर्वसाधारणपणे वापरला जातो. अवरक्त किरणांच्या निर्देशासाठी तरंगलांबीखेरीज कंप्रता (प्रतिसेकंदास होणारी तरंगसंख्या) अथवा तरंगांक (१ सेंमी. लांबीत सामावलेली तरंगांची संख्या) यांचाही उपयोग केला जातो. या एककांस धरून अवरक्त किरणांचे होणारे प्रमुख भाग कोष्टकामध्ये पुढे दाखविलेले आहेत.

अवरक्त किरणांचा शोध सर विल्यम हशल यांनी १८०० मध्ये लावला. लोलकामुळे सूर्यकिरणांचे अपस्करण (कंप्रतेनुसार प्रकाशकिरणांची विभागणी) होऊन जो वर्णपट मिळाला त्या वर्णपटाच्या रक्तवर्णाच्या पलीकडील भागात तापमापक ठेवला असता त्याचे तापमान वर्णपटाच्या इतर भागाच्या मानाने या भागात अधिक वाढते, असे त्यांना आढळून आले. म्हणून या किरणांस ‘उष्णता-किरण’ असेही कित्येकदा म्हटले जाते. यापेक्षा अधिक सूक्ष्म परीक्षण, लँग्‍ली यांनी १८८० मध्ये अपस्करणासाठी विवर्तन जालक (वर्णपट मिळविण्यासाठी वापरण्यात येणारे एक साधन, → विवर्तन जालक) वापरून बोलोमीटरच्या (विद्युत् गुणधर्माचा उपयोग करून तापमान मोजण्याचे एक साधन) साहाय्याने केले. १९०० च्या सुमारास या भागाचे अधिक अन्वेषण (संशोधन) झाले व त्यामुळे उद्भमाचे तापमान व ज्या तरंगलांबीत प्रारणाची ऊर्जा महत्तम होते ती तरंगलांबी यांचा संबंध दाखविणारा वीन यांचा स्थानांतरण-सिद्धांत आणि प्लांक यांचा प्रारण-सिद्धांत यांची सत्यता प्रस्थापित झाली. त्यानंतर प्रयोगतंत्रामध्ये खूप सुधारणा होऊन या अवरक्त किरणांच्या भागातील रेणवीय शोषण वर्णपटांचाही [→  वर्णपटविज्ञान] अभ्यास झाला.

अवरक्त किरणांच्या अभ्यासासाठी पुढील पदार्थांचे लोलक वापरतात. त्यांच्यापुढे किती तरंगलांबीपर्यंत ते वापरतात त्याची मर्यादाही कंसात दिली आहे. क्वॉर्ट्‌झ (३µ), लिथियम फ्ल्युओराइड (६µ), कॅल्शियम फ्ल्युओराइड (९µ), सोडियम क्लोराइड (१५µ), पोटॅशियम क्लोराइड (२०µ), पोटॅशियम ब्रोमाइड (२५µ) आणि पोटॅशियम आयोडाइड (३०µ). या किरणांच्या अभ्यासाकरिता वापरण्याच्या वर्णपटलेखांत भिंगांच्या ऐवजी अंतर्गाल परावर्तकच वापरले जातात.

सैंधवाच्या लोलकाचे अपस्करण भरपूर व त्याची पार्यताही (आरपार जाण्याची क्षमताही) जास्त असल्याने तो विशेषेकरून वापरला जातो. दर्शित केलेल्या तरंगलांबीपेक्षा मोठ्या तरंगलांबीसाठी त्या त्या तरंगलांबींना उपयुक्त ठरतील असे मुद्दाम बनविलेले विवर्तन जालक वापरतात. पुढील कोष्टकात किरणांची तरंगलांबी, तरंगांक, भागाची संज्ञा व ज्या कारणामुळे (रेणवीय गतीमुळे) ते प्रारण उद्भवते ते कारण दिले आहे.

अवरक्त प्रारणाचे निरनिराळे भाग व त्यांची उद्भम-कारणे

वरील कोष्टकावरून कळून येईल की, समीप अवरक्ताचा अभ्यास प्रकाशविद्युत् घटाच्या (ज्यावर प्रकाश पडल्यामुळे ज्याच्या विद्युत् स्थितीत बदल होतो अशा साधनाच्या) साहाय्याने होऊ शकतो व हा पट्टा रेणूतील नीच ऊर्जास्तरातील इलेक्ट्रॉनांमुळे मिळतो. उच्चतर ऊर्जास्तरातील इलेक्ट्रॉनांमुळे दृश्य व जंबुपार (जांभळ्या रंगाच्या पलीकडील) प्रारण मिळते. अवरक्त किरणांचा मधला पट्टा रेणूंच्या कंपनांमुळे मिळतो. फक्त त्या कंपनांच्या वरच्या पटीतील कंप्रता या पट्ट्याबाहेर असतात. या पट्ट्याचा अभ्यास करण्यासाठी लवणांचे (सैंधव इ.) लोलक वर्णपटमापकात वापरत असल्याने त्याला ‘लोलक अवरक्त’ असेही म्हणतात. दूर अवरक्त भागाच्या अभ्यासासाठी उचित असे लोलक बनविता येतील असे पदार्थ अद्याप माहीत नसल्याने या भागासाठी वर्णपटमापकात विवर्तन जालकच वापरतात. या भागात अतिनीच रेणवीय कंपनांचा व जवळजवळ सर्व वलनकंप्रतांचा (निदान हलक्या रेणूंच्या बाबतीत तरी) समावेश होतो. या स्थितीत तरंगलांबीची मर्यादा १ मिमी. पर्यंत वाढल्याने सूक्ष्मतरंग साधनाने त्यांची निर्मिती व अभिज्ञान (अस्तित्व ओळखणे) होऊ शकते व म्हणून अवरक्त आणि सूक्ष्म तरंग हे भाग आता एकमेकांत मिसळले आहेत असे म्हणतात.

रेणूंच्या कंपनांच्या ऊर्जाबदलाबरोबरच पुष्कळदा वलनऊर्जाबदलही घडून येतात. कंपनऊर्जाबदलामुळे शोषण वर्णपटात एक रेषा मिळते परंतु या बदलाबरोबच जर वलनऊर्जाबदल घडले, तर वरील रेषेच्या जवळ एकमेकांसमीप असलेल्या बर्‍याच रेषा मिळतात. या रेषा मिळून वर्णपटात एक अरुंद पट्टा बनतो. दोन अणूंपासून बनलेल्या (द्वि-अणू) रेणूंच्या बाबतीत असे बरेच पट्टे आढळतात. यांचा अभ्यास शोषण वर्णपटामुळे होऊ शकतो व त्यात आढळणाऱ्या तरंगलांबी २.५ ते २५.०µ यांच्या दरम्यान असतात.

द्वि-आणवीय रेणूंच्या बाबतीत घडणार्‍या शुद्ध वलनऊर्जाबदलांची कंप्रता त्यांच्या निरूढी परिबलाच्या (एखाद्या अक्षाभोवती फिरणाऱ्या वस्तूच्या कोनीय प्रवेगास होणाऱ्या त्या वस्तूच्या विरोधाच्या मापाच्या) व्यस्त प्रमाणात असते व म्हणून असे बदल हे बहुधा सूक्ष्मतरंग भागात आढळतात. तरही HF, HCl यांसारख्या हलक्या रेणूंचे निरूढी परिबल अल्प असल्याने त्यांच्या कंप्रता अवरक्त भागात मोडतात. याहून किंचित जड अशा DBr किंवा DI या रेणूंच्या वलनकंप्रता सूक्ष्मतरंग व अवरक्त या दोन्हीही भागांत आढळतात.

अवरक्त प्रारण-उद्गम : अवरक्त प्रारण देणारा आदर्श असा उद्गम म्हणजे उच्च तापमानात असलेला कृष्ण पदार्थ (प्रदीप्त अवस्थेत असताना सर्व प्रकारचे उष्णता-प्रारण देणारा) होय. परंतु आदर्श कृष्ण पदार्थ मिळू शकत नसल्यामुळे त्याच्याशी साम्य असलेला तप्त तंतू या कामासाठी वापरण्यात येतो. असे नेहमी वापरले जाणारे उद्गम म्हणजे ग्‍लोबर व नेर्न्स्ट या शास्त्रज्ञांनी तयार केलेले दिवे होत. ग्‍लोबर दिव्यामध्ये सिलिकॉन कार्बाइडाचा सु. ५ सेंमी. लांब व ४.५ मिमी. व्यास असलेला तुकडा वापरतात. तो हवेमध्ये ५० व्होल्ट आणि ४ ते ५ अँपिअरवर प्रत्यावर्ती (उलट सुलट दिशेने वाहणार्‍या) विद्युत् प्रवाहावर काम देतो. नेर्न्स्ट दिव्यात झिर्कोनियम, इट्रियम व अर्बियम यांच्या ऑक्साइडांच्या मिश्रणाचा सु. २ सेंमी. लांब व ३ मिमी. व्यास असलेला तुकडा वापरतात व ७० व्होल्ट आणि १ अँपिअर प्रत्यावर्ती प्रवाहावर तो चालवितात. यामुळे सु. १,९००^० से. इतके तापमान मिळू शकते, हे त्याचे वैशिष्ट्य आहे.

अवरक्त प्रारण-अभिज्ञातक : प्रारणाचा काही भाग ग्रहण करून त्यावरून प्रारणाचे मूल्य दर्शविणे, या तत्त्वावर या अभिज्ञातकांचे कार्य चालते. म्हणजेच विद्युत् चुंबकीय फोटॉनाच्या (विद्युत् चुंबकीय प्रारणाच्या पुंजाच्या किंवा एककाच्या) ऊर्जेचे मोजता येईल अशा स्वरूपाच्या ऊर्जेत अभिज्ञातक रूपांतर करतो. या रूपांतराच्या पद्धतीवर अभिज्ञातकाचा प्रकार ठरतो.

(१) औष्णिक अभिज्ञातक : समग्र अवरक्त वर्णपटात एकविधतेने संवेदनशील असणार्‍या माध्यमात अवरक्त किरणांच्या शोषणामुळे घडून येणारी तापमानातील वाढ, या तत्त्वावर हे अभिज्ञातक आधारलेले असतात. तापमानाचे मापन पुढील पद्धतीने होते. (अ) उष्णतेने घडणार्‍या प्रसरणावरून (उदा., हर्शेल यांनी वापरलेला पारा तापमापक). या प्रकारात ‘गोले-घट’ हा अभिज्ञातक चांगले काम देतो. त्यात वायूच्या प्रसरणामुळे त्याच्या दाबात होणार्‍या वाढीवरून प्रारणाचे अभिज्ञान होते. (आ) बोलोमीटर : यात वाढत्या तापमानामुळे एका तारेचा विद्युत् रोध वाढतो. ही तार प्लॅटिनम, निकेल यांसारख्या धातूची अगर कोबाल्ट, निकेल, मँगॅनीज यांच्या ऑक्साइडांच्या अर्धसंवाहकाची बनवलेली असते. (इ) दोन अगर अनेक तपयुग्मांची (तापमान मोजण्याचे एक विशेष साधन) बनविलेली तपचिती (अनेक तपयुग्मे एकापुढे एक जोडून तयार केलेल उपकरण). यात दोन संधींच्या तापमानांमधील फरकाच्या प्रमाणात विद्युत् चालक प्रेरणा (विद्युत् मंडलात प्रवाह वाहण्यास कारणीभूत होणारी प्रेरणा) उत्पन्न होते व तिचे मापन गॅल्व्हानोमीटरच्या साहाय्याने करता येते. (ई) तापायनिक अभिज्ञातक : यात ऋणाग्राच्या तापमानानुसार इलेक्ट्रॉनाचे तापायनिक उत्सर्जन घडते [ → तापायनिक उत्सर्जन].

(२) इलेक्ट्रॉनीय अथवा पुंज-अभिज्ञातक : खास प्रकारचे छायाचित्रण पायस (प्रकाशाला संवेदनशील असणारा रासायनिक लेप) प्रकाशविद्युत् उत्सर्जक व प्रकाशविद्युत् संवाहक घट [ → प्रकाशविद्युत्] ही साधने यात वापरतात. या साधनांची संवेदनक्षमता व तरंगलांबी यांतील सापेक्ष संबंध पुढील आकृतीमधील आलेखांवरून समजून येईल.

दि. १ – ४२

या आलेखांवरून हे स्पष्ट दिसेल की, इलेक्ट्रॉनीय किंवा पुंज-अभिज्ञातकांची संवेदनक्षमता तरंगलांबीप्रमाणे बदलते व ती २,००० ते ३,००० तरंगांकात (३.५ ते ५µतरंगलांबी) फार कमी होते. द्रव हीलीयम तापमानात (१०^० के. म्हणजे-२६३^० से.) प्रकाशविद्युत् संवाहक घट अभिज्ञातक म्हणून वापरल्यास २,००० तरंगांकाखालीही त्याची संवेदनक्षमता चांगली राहू शकते.

अवरक्त प्रारण-प्रसार : दृश्य प्रकाशाबाबतीत पदार्थांचे जे गुणधर्म आढळतात त्यापेक्षा अवरक्त किरणांच्या बाबतीत ते भिन्न असू शकतात. उदा., तावदानाची काच ५ µ तरंगलांबी असलेल्या किरणांना अपार्य (अपारदर्शक) आहे तर शुद्ध जर्मेनियम स्फटिक दृश्य प्रकाशकिरणांस अपार्य आहे, पण अवरक्त किरणांस पार्य आहे.

वातावरणात घडून येणारे अवरक्त किरणांचे क्षीणन (क्षीण होणे) लक्षात घेण्याजोगे आहे. सर्व अवरक्त किरणांना नायट्रोजन, ऑक्सिजन व अक्रिय वायू (हीलियम, आर्‌गॉन, निऑन इ.) पार्य आहेत, तर तरंगलांबीच्या काही भागांत वाफ व कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू यांच्याकडून त्यांचे बर्‍याच प्रमाणात शोषण होते पण ते सारख्या प्रमाणात होत नसून अनियमित असते. ४ ते ८ µच्या पट्ट्यात अवरक्त किरणांचे वाफ व कार्बन डाय-ऑक्साइड यांत जोरदार शोषण होते, तर ८.० ते १३.५ µ या पट्ट्यातील किरणांना ते पारदर्शक होतात. १४ ते ६०० µ या विस्तृत पट्ट्यांत या किरणांचे पुन्हा कमीअधिक प्रमाणात शोषण होते.

१ मिमी. पेक्षा अधिक जाडीच्या थरातून २µ पेक्षा अधिक तरंगलांबीचे किरण पलीकडे जाऊ शकत नाहीत. अवरक्त किरणांचे धुक्यातून होणारे पारगमन दृश्य प्रकाशापेक्षा किंचित अधिक प्रमाणात होते. उचित अशा रंगांना संवेदनशील केलेल्या छायाचित्रिण-काचांवर अगर फिल्मवर अवरक्त किरणांच्या साहाय्याने (१.३µ पर्यंत) छायाचित्रे घेता येतात. दृश्य प्रकाशाला प्रतिबंधक अशी गाळणी कॅमेर्‍याच्या भिंगावर बसवून अशा तर्‍हेच्या काचांवर अगर फिल्मवर दिवसाउजेडी फोटो घेता येतात. धूलिकणांमुळे धूसर झालेल्या वातावरणातूनही यांच्या मदतीने चांगली छायाचित्रे काढता येतात. पण अवरक्त किरणांना धुकेसुद्धा संपूर्ण पारदर्शक असावे ही समजूत मात्र चुकीची आहे. अवरक्त किरणांत घेतलेली छायाचित्रे तपशिलाच्या दृष्टीने दृश्य प्रकाशात घेतलेल्या छायाचित्रापेक्षा सरस असतात, परंतु ती दिसावयास चमत्कारिक असतात. हिरवी पाने, हिरवे गवत हे पदार्थ असल्या छायाचित्रात काळ्याऐवजी पांढर्‍या रंगाचे दिसतात.

जीवसृष्टीवर होणारे परिणाम व उपयोग : सूर्याच्या किरणांपैकी जवळजवळ ६० टक्के भाग अवरक्त आहे, तसेच निरपेक्ष शून्याच्या (-२७३^० से. च्या) वर तापमान असलेल्या सर्व पदार्थांपासून अवरक्ताचे प्रारण होत असते. म्हणून सर्व जीवसृष्टीवर या किरणांचा परिणाम होत असतो. मागे म्हटल्याप्रमाणे ८.० ते १३.५ µ हा तरंगलांबीचा पट्टा सोडल्यास पाणी अवरक्त किरणांचे शोषण मोठ्या प्रमाणात करते. जीवद्रव्यामध्ये (सर्व सजीवांच्या शरीरातील सूक्ष्म घटकांतील म्हणजे कोशिकांतील द्व्यामध्ये) पाण्याचा अंश बराच असल्याने ते अवरक्त किरण त्वरित शोधून घेते. एखाद्या मोठ्या प्राण्याच्या बाह्य भागातच या किरणांचे शोषण होऊन फक्त ८.० ते १३.५ µ या पट्ट्यातील किरणच रक्तवाहिन्यांपर्यंत पोहोचू शकतात. शरीरातील ऊतकांकडून (समान रचना व कार्य असणार्‍या कोशिकांच्या समूहांकडून) होणारे अवरक्त किरणांचे शोषण व त्यामुळे त्यांत निर्माण होणारी तापमानातील वाढ यामुळेच मुख्यत: या किरणांचे महत्त्वाचे परिणाम होतात.

सूर्यप्रकाशातील अवरक्त किरणांच्या आधिक्यामुळे उष्णता-निर्मिती शक्य तर टाळणे अगर तर टाळणे अगर ती उत्पन्न झाल्यास ती नाहीशी करणे यासंबंधी जीवसृष्टीत विशिष्ट योजना आढळते. मोठ्या प्राण्यांचे अगर झाडांचे तापमान अवरक्त किरणांच्या शोषणामुळे काही वेळ वाढेल; पण झाडांच्या बाबतीत बाष्पोत्सर्जन व प्राण्यांच्या बाबतीत घाम यामुळे वाढलेली उष्णता नाहीशी होते. पाण्यात राहणार्‍या प्राण्यांचे व वनस्पतींचे पाण्यामुळे उष्णतेपासून संरक्षण होते. क्ष-किरणांचा मारा करण्याच्या आधी वा नंतर जैव सामग्री अवरक्त किरणांनी (०.७८ µ ते १.१५ µ) प्रारित केल्यास, वनस्पतींच्या वा प्राण्यांच्या कोशिकांतील क्ष-किरणांनी प्रवर्तित केलेली गुणसूत्रांची (आनुवंशिक लक्षणे एका पिढीतून दुसर्‍या पिढीत नेणार्‍या सूक्ष्म घटकांची) पुनर्रचना अधिक प्रमाणात होते. हे का व कसे घडते तसेच याचा परिणाम काय होतो, हे अद्याप नीटसे समजलेेले नाही.

वैद्यकशास्त्रात स्नायूंतील लचक, ताण, कळा, संधिशोथ (सांध्यांची दाहयुक्त सूज) यांसारख्या व्याधींवर, त्याचप्रमाणे ज्या व्याधींत शेकामुळे आराम मिळू शकतो. अशा सर्व व्याधींवर, उपचार म्हणून अवरक्त किरणांचा उपयोग केला जातो. यासाठी शरीरात खोलवर जाऊ शकतील असे किरण (०.७८ µ ते १.४ µ) देणारे दिवे वापरण्याचा प्रघात आहे. उद्योगधंद्यांमध्येही भाजणे, तापविणे व वाळविणे या क्रियांसाठी अवरक्त किरणांचा उपयोग होतो. जुनी तैलचित्रे एखाद्या विशिष्ट चित्रकाराची आहेत की नाहीत हे ठरविण्यासाठीही अवरक्त किरणांचा उपयोग होऊ शकतो. तैल रंगातून आत जाऊन हे किरण, एरवी डोळ्यास न दिसू शकणारे रंगांच्या थरांच्या विशिष्ट रचनांसारखे, अंतर्गत बारकावे दाखवू शकतात.

रासायनिक संयुगातील कार्बोनिल (C=O), हायड्रॉक्सी (OH) इ. गट आणि द्विबंध व त्रिबंध यांचे अस्तित्व व स्थाने अवरक्त प्रारणाने सुलभतेने निश्चित करता येताता त्यामुळे रासायनिक संरचना ठरविण्याच्या कामी या प्रारणाचा आधुनिक काळात फार उपयोग होतो.

अवरक्त-प्रतिमा-परिवर्तक नलिका : अंधारातील वस्तू पाहण्यासाठी ही नलिका दुसर्‍या महायुद्धात बनविली गेली. अवरक्त किरण पदार्थांवर पाडून त्यामुळे तयार होणार्‍या प्रतिमा नलिकेच्या साहाय्याने डोळ्यास दिसू शकतात. ही नलिका निर्वात असून तिच्या एका टोकाला अवरक्त किरणास संवेदनशील व ऋणाग्र पडद्याच्या वेगवेगळ्या बिंदूंपासून तापायनिक इलेक्ट्रॉनांचे उत्सर्जन होते. हे उत्सर्जन बिंदूंवर पडणार्‍या अवरक्त किरणांच्या तीव्रतेनुसार कमीअधिक होते. उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन स्थिरविद्युत् भिंगांनी (स्थिरविद्युत् क्षेत्राचा प्रकाशीय भिंगासारखा उपयोग करून) नलिकेच्या दुसर्‍या टोकावर असलेल्या अनुस्फुरक (विशिष्ट द्रव्याचा लेप दिल्यामुळे इलेक्ट्रॉन पडल्यावर प्रकाशणार्‍या) पडद्यावर केंद्रित केले जातात व त्यामुळे पडद्यावर त्या देखाव्याचे चित्र उमटते. ही नलिका १.२ µ पर्यंत कार्यक्षम असते. अर्थात पाहावयाच्या देखाव्यावर अवरक्त किरणांचा झोत टाकणे आवश्यक असते. युद्धात तसेच वर्णपटविज्ञानात, काही विशिष्ट रासायनिक विक्रिया दृश्यमान करण्यास, निशाचर प्राण्यांचा अभ्यास करण्यास आणि विविध पदार्थांच्या उत्सर्जन व परावर्तन गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी या नलिका उपयाोगी आहेत.

पहा : उष्णता;  उष्णता प्रारण;  रेणवीय भौतिकी; वर्णपटविज्ञान;  विद्युत् चुंबकीय प्रारण.

संदर्भ : 1. Hackworth, H. L. Infrared Rediation, New York, 1960.

2. Walker, S.; Straw, H. spectroscopy, London, 1961.

आपटे, ना. रा.