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紅外輻射

波長(zhǎng)長(zhǎng)于可見輻射、短于1mm的電磁輻射。

名詞釋義

  波長(zhǎng)約在0.75~1 000μm之間的電磁輻射。紅外線是一種電磁波,位于可見光紅光外端,在絕對(duì)零度(-273℃) 以上的物體都輻射紅外能量,是紅外測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)。

 紅外輻射位于電磁波譜的中央,其波長(zhǎng)覆蓋四個(gè)數(shù)量級(jí)。在整個(gè)電磁波譜中,不管是哪一個(gè)波段,其傳播速度都是光速c,波長(zhǎng)為λ(厘米),每秒振動(dòng)數(shù)稱為頻率ν(秒-1),則

  λνc (1)

波段劃分

  紅外波段的劃分 電磁波譜劃分為許多不同名稱的波段。主要是根據(jù)它們的產(chǎn)生方法、傳播方式、測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用范圍的不同而自然劃分的。紅外波段又可劃分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外三個(gè)波段。但劃分的方法則因?qū)W科或技術(shù)領(lǐng)域不同而異。

  由于大氣對(duì)紅外輻射的吸收,只留下三個(gè)“窗口”,即1~3微米、3~5微米、8~13微米,可讓紅外輻射通過(guò)。因而在軍事應(yīng)用上,分別稱這三個(gè)波段為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段。8~13微米,也稱為熱波段。

  在光譜學(xué)中,劃分波段的方法尚不統(tǒng)一。一般分別以0.75~3微米、3~40微米和40~1000微米作為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段。近紅外是可以用玻璃作為透射材料和用硫化鉛探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)的波段。中紅外原來(lái)是以棱鏡作為色散元件的波段,但后來(lái)都采用光柵作為色散元件,40微米這個(gè)界限不再有意義。但是,40微米又是石英能讓紅外輻射透過(guò)的起始波長(zhǎng),故仍可作為中紅外波段與遠(yuǎn)紅外波段的界限。在遠(yuǎn)紅外波段的長(zhǎng)波端,傳統(tǒng)的幾何光學(xué)和微波傳輸技術(shù)都不適用,需要發(fā)展新的技術(shù)。新技術(shù)適用的波段也可能是一個(gè)新名稱的波段。此外,遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)出現(xiàn)激光,以輻射源是否具有相干性作為遠(yuǎn)紅外與微波劃界的標(biāo)準(zhǔn)已不適用。因而暫以1000微米作為遠(yuǎn)紅外波段的界限,把波長(zhǎng)為1~3毫米的電磁波稱為短毫米波。

產(chǎn)生原理

  在物質(zhì)內(nèi)部,電子、原子、分子都在不斷地運(yùn)動(dòng),有很多可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

  這些狀態(tài)都是穩(wěn)定的,各具有一定的能量。通常用“能級(jí)”來(lái)表示這些狀態(tài)。在正常情況下,物質(zhì)總是處在能量最低的能級(jí)上(基態(tài))。如果有外界的刺激或干擾,把適當(dāng)?shù)哪芰總鬟f給電子、原子或分子,后者就可以改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)入能量較高的能級(jí)(激發(fā)態(tài))。但是,電子、原子或分子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間很短,很快就回復(fù)到能量較低的能級(jí)中去,把多余的能量釋放出來(lái)。釋放能量的方式有多種,最常見的是發(fā)射電磁波。根據(jù)現(xiàn)代量子論的概念,從較高能級(jí)E1回復(fù)到較低能級(jí)E0時(shí),發(fā)射出來(lái)的電磁波的頻率為

  ν=(E1-E0)/h (2)

  式中h為普朗克常數(shù),h=6.626×10-34焦·秒,是發(fā)射出來(lái)的能量單元,稱為光子

  因此,輻射是從物質(zhì)中發(fā)射出來(lái)的。任何一塊小的物體都包含著極大數(shù)目的原子或分子。每個(gè)原子或分子都有很多能級(jí),從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)都能發(fā)射光子。實(shí)際發(fā)射出來(lái)的電

  磁波就是這些大量光子的總和。各個(gè)原子或分子發(fā)射光子的過(guò)程基本上是互相獨(dú)立的;光子發(fā)射的時(shí)間有先有后。光子發(fā)射時(shí),原子或分子在空間的取向有各種可能,因而光子可向各個(gè)方向發(fā)射,其電磁場(chǎng)振動(dòng)也可有各種方向;再加上物體內(nèi)各能級(jí)之間的相互影響,兩能級(jí)之間的能量差會(huì)有極小的變動(dòng)。所有這些因素的聯(lián)合作用,使所發(fā)射出來(lái)的輻射包含著各種頻率,沒(méi)有一定的相位,沒(méi)有一定的偏振,這就是非相干輻射。

  現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)能采用適當(dāng)辦法,迫使某兩個(gè)能級(jí)之間的光子發(fā)射過(guò)程都發(fā)生在同一時(shí)間向同一方向,這就能得到頻帶非常狹窄、方向性極好、強(qiáng)度很高,而且是偏振的相干輻射。這就是激光。在無(wú)線電波和微波范圍內(nèi),電磁波的產(chǎn)生是利用電子在真空里的運(yùn)動(dòng),迫使所有電子作相同的運(yùn)動(dòng)態(tài)的改變,這就發(fā)射出單一頻率的、偏振的相干輻射。

  輻射雖是從物體內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的,但必須首先從外界給以擾動(dòng),給以能量。這個(gè)過(guò)程稱為激勵(lì)。激勵(lì)的方法有多種,其中與紅外輻射關(guān)系最為密切的是加熱。因加熱而發(fā)射的輻射稱為熱輻射。

  紅外輻射度學(xué) 這方面的術(shù)語(yǔ)比較復(fù)雜,必須區(qū)別輻射的發(fā)出和接受兩個(gè)方面,標(biāo)明擴(kuò)展源的方向性。擴(kuò)展源就是尺寸與測(cè)量距離相比不可忽略的輻射源。反之,則可當(dāng)作點(diǎn)源看待。


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