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Le caratteristiche termiche, quantistiche e ondulatorie della radiazione infrarossa sono rispecchiate nei meccanismi utilizzati per la sua rivelazione.I rivelatori che possono essere usati per misurare l'intensità della radiazione infrarossa sono di tre tipi: a) rivelatori di tipo termico,nei quali si misura l'aumento di temperatura causato dall'assorbimento della radiazione infrarossa;si tratta di rivelatori a banda larga,capaci di rivelare radiazione a tutte le lunghezze d'onda assorbite dal sensore; b) rivelatori di tipo quantistico,detti anche fotorivelatori, nei quali ciascun fotone incidente libera, per effetto fotoelettrico, un elettrone che contribuisce alla conducibilità elettrica;si tratta di rivelatori che sono sensibili a fotoni di energia superiore a una certa soglia e che operano in modo ottimale in un intervallo limitato di lunghezza d'onda; c) rivelatori eterodina,nei quali si misura il segnale a radiofrequenza generato, in un mescolatore, dall'interferenza della radiazione infrarossa con un oscillatore locale; questo metodo di rivelazione opera in un ristretto intervallo spettrale, prossimo alla frequenza dell'oscillatore locale.

Fra i rivelatori di tipo termico sono degni di nota la termopila, il rivelatore piroelettrico, la cella di Golay e i bolometri. Sensibilità prossime al limite costituito dalrumore termico e fotonico sono raggiunte con bolometri raffreddati a temperature dell'ordine di 1 K.

I fotorivelatori, specie quelli a stato solido , forniscono una copertura completa dello spettro infrarosso dal visibile fino a circa 200 m. Anche con questi rivelatori sono comunemente ottenute prestazioni direttamente confrontabili con i limiti teorici.

Le tecniche di rivelazione eterodina hanno ancora un impiego limitato ad alcune applicazioni speciali, per la difficoltà tecnica al reperimento sia di una sorgente coerente, sia di un mescolatore, operanti alla frequenza richiesta.

Interessanti risultati sono ottenuti alle lunghezze d'onda prossime al millimetro usando come oscillatore locale un CARCINOTRON e come mescolatore un rivelatore ad ANTIMONIURO D'INDIO o un DIODO SCHOTTKY. Altra combinazione efficiente è data, intorno a 10 mu m, da un laser a CO2 e un fotorivalatore di mercurio-cadmio-tellurio.

 

a) Proprietà atomiche. Gli spettri atomici hanno il loro massimo d'intensità nel visibile e nell'ultravioletto, ma in condizione di sufficiente eccitazione possono estendersi all'infrarosso e alle microonde. Lo studio degli spettri atomici nell'infrarosso consente di determinare i livelli energetici e la struttura elettronica dell'atomo, e fornisce un metodo di studio e di identificazione dei diversi elementi.

 

b) Molecole. Le transizioni elettroniche di molecole sono rare nell'infrarosso, dove invece sono tipicamente presenti gli spettri vibrazionali (prevalentemente nel vicino e medio infrarosso 0,8-20  mu m )e gli spettri rotazionali (prevalentemente nel lontano infrarosso: 20-1000 mu m ). Lo spin nucleare ha un piccolo effetto nella spettroscopia molecolare infrarossa, dove si manifesta attraverso la struttura iperfine di alcune transizioni. Gli spettri vibrazionali e rotazionali nell'infrarosso, come gli spettri elettronici nel caso degli atomi,caratterizzano le diverse molecole e forniscono un importante metodo di studio e di identificazione dei composti meolecolari.

 

c) Solidi. Gli atomi all'interno di un solido hanno movimenti limitati ai moti vibrazionali intorno alla posizione di equilibrio:solo in rari casi essi hanno dei moti di librazione,che possono essere considerati moti rotazionali soggetti a vincoli. I solidi, pertanto, possono assorbire radiazione infrarossa, attraverso transizioni vibrazionali ed elettroniche. Il meccanismo di assorbimento vibrazionale non è, nei solidi, un fenomeno localizzato sui singoli atomi, ma avviene all'interno di una risonanza dell'intero reticolo cristallino. Il rilievo dei picchi di assorbimento o di riflettività di un solido nell'infrarosso consente di studiarne e caratterizzarne la struttura.

 

d) Semiconduttori. Il gap di energia Eg nei semiconduttori corrisponde a una lunghezza d'onda lambda g  =hc/Eg ( con h costante di Planck e c velocità della luce nel vuoto) dell'ordine di 1-2 mu m ,cioè nell'infrarosso, e per tale motivo le proprietà ottiche dei semiconduttori nell'infrarosso sono peculiari. A lunghezze d'onda lambda lambda g il materiale si comporta come un dielettrico e risulta otticamente trasparente. Attorno alla lunghezza d'onda  g l'assorbimento aumenta con un incremento tanto più rapido quanto più è bassa la temperatura. Per lambda lambda g il materiale si comporta come un metallo, in accordo con l'apparenza che i semiconduttori nel visibile. Nella zona di trasparenza i semiconduttori sono caratterizzati da un elevato indice di rifrazione, come conseguenza dell'intenso assorbimento che esiste alle alte frequenze. I semiconduttori hanno un ruolo importante nella strumentazione infrarossa in quanto sono spesso utilizzati come componenti ottici, e forniscono alcuni rivelatori e sorgenti. L'evoluzione tecnologica dell'infrarosso è in parte dovuta anche allo sviluppo delle tecniche di fabbricazione dei semiconduttori, che s'è avuto per le applicazioni elettroniche.

 

e) Liquidi. A bassa risoluzione, lo spettro di assorbimento dei liquidi nell'infrarosso è apparentemente simile a quello del gas corrispondente. Le molecole del liquido, nonostante la frequenza molto maggiore degli urti, mantengono infatti alcuni dei gradi di libertà che esistono nei gas.

Conseguentemente, alcune bande vibrazionali sono osservabili nel liquido, sebbene con un sensibile allargamento, dovuto agli urti. Le bande rotazionali sono invece di solito assenti nei liquidi, a causa del frenamento viscoso che gli urti causano sui moti rotazionali. Nel lontano infrarosso, al posto delle bande rotazionali appaiono delle bande che assomigliano alle risonanze osservate nei solidi. Queste bande sono dovute all'esistenza nel liquido di un forte accoppiamento fra molecole vicine, le quali si mantengono statisticamente in posizioni reciproche molto prossime a quelle presenti in un reticolo cristallino.