電磁頻譜 紅外線

---

簡介

如果你還沒有聽說過光的本質之謎，這裡有一個快速的複習：光在不同的場景下既表現為粒子又表現為波。雖然這種二象性的原因至今尚不清楚，但科學家們仍然能夠獨立地解釋這些性質。

因此，我們現在知道，就其波的性質而言，光是一種電磁波，由電場和磁場組成，它們在相互垂直的方向上振盪。並且由於光表現得像波一樣，所以你可以很容易地理解它一定具有一定的頻率和波長。到目前為止，我們已經遇到了頻率高達$\mathrm{10^{25}}$ Hz的光線或輻射。如此廣泛的頻率範圍導致了不同型別的光波具有廣泛的特性。因此，將所有這些頻率劃分為某些波段變得很有用。在本文中，我們將討論這些頻率的一個部分，稱為紅外區域。

什麼是電磁頻譜？

科學分支中的量可以取不同的值。有時，它們所取的值是以步長定義的。例如，在量子力學中，能量在大多數情況下是量子化的或數字化的。它們總是以步長變化，並且這些步長之間的任何值都是禁止的。簡諧振子的能量就是一個這樣的例子。

另一方面，許多量沒有這樣的限制，可以取任何值。術語“頻譜”指的是這些量可以取的連續範圍的模擬值。需要注意的是，頻譜是連續的，而不是離散的。

電磁頻譜是電磁波可以具有的頻率的頻譜或範圍。正如我們前面提到的，它可以高達$\mathrm{10^{25}}$ Hz，而在低端，甚至觀察到小於 1 Hz 的值。

什麼是紅外線？

我們能夠看到的光被稱為可見光。在這個可見區域中，紅色具有最低的頻率。因此，術語紅外輻射指的是頻率低於紅色頻率的輻射。請注意，這並不意味著任何頻率低於 430 THz（紅色頻率）的輻射都是紅外線。相反，紅外區域的範圍介於 300 GHz 和 430 THz 之間。

紅外線人眼看不見，但無處不在。例如，所有接近室溫的物體僅在紅外範圍內發射輻射。除此之外，火產生的熱量也在紅外範圍內。但最顯著的紅外輻射源是陽光。到達地球的能量有一半以上是以紅外線形式存在的。

多年來，紅外輻射的用途已變得太多，無法在一篇文章中進行總結。廣泛使用紅外的領域包括科學、醫學、軍事、商業等。

紅外線的起源

如前所述，太陽能量的一半以上以紅外線形式到達地球，這使其成為地球上最大的紅外線來源。然而，人工產生紅外輻射非常容易。

幾乎所有物體都在不斷地發出紅外輻射，儘管在大多數情況下，它太小以至於沒有任何可見的影響。加熱物體可以增加它們發出的紅外輻射量。當你把手靠近熱爐並感覺到它的熱量而沒有接觸它時，你正在感受到紅外輻射。另一種產生紅外線的方法是使用帶隙位於紅外區域（約 1.4 eV）的 LED。這種方法最常用於紅外線的產生。

紅外線的特性

可見性

紅外線位於可見區域之下，因此人眼看不見。但是，其影響可以以熱量的形式感受到。此特性通常用於紅外輻射的治療應用中。

能量

紅外輻射的能量甚至低於可見光。這意味著它們的穿透力非常低。甚至足夠厚的紙堆也能阻擋紅外輻射。窗戶使用的玻璃非常有效地阻擋紅外輻射。在人體皮膚上，紅外輻射不會超過約 5 毫米。

安全性

紅外輻射非常安全，尤其是在與可見光以外的輻射（如紫外線和 X 射線）相比時。請注意，無論是什麼型別的輻射，過量的輻射都是有害的。例如，由於紅外輻射攜帶熱量，因此過度暴露會導致灼傷。

應用

醫學應用

在 Covid-19 爆發初期，你一定看到了紅外測溫儀的銷量激增。這些溫度計檢測目標發出的紅外輻射量，並且可以在一秒鐘內高度準確地檢測溫度。

紅外線也用於治療應用，例如熱按摩、肌肉放鬆、纖維組織治療等。

軍事

紅外輻射可用於在無需視線的情況下準確找到目標，因為它可以穿過大多數不透明物體。夜視鏡也利用紅外線生成使用者周圍環境的影像。

科學

紅外輻射可用於研究天體和高度紅移的空間區域。此外，紅外成像可用於確定電子元件是否過熱。天氣預報和短程無線通訊也利用紅外範圍。

影響

紅外線攜帶熱量，因此會導致吸收它們的物體升溫。過度暴露於紅外輻射不僅因為熱量而危險，還因為它會影響眼睛，在極端情況下會導致損傷甚至失明。因此，紅外輻射常見的工業環境必須僅使用特殊的防紅外護目鏡處理。

同時，紅外輻射的加熱效應意味著它可用於治療普通感冒和疲勞，緩解腎臟功能，並幫助緩解其他形式的疼痛。

結論

電磁頻譜是電磁輻射可以具有的頻率範圍。紅外線是頻率低於紅光的電磁波。這對應於 300 GHz 到 430 THz 之間。紅外輻射攜帶熱量，並且幾乎所有被加熱的物體都會發出它。室溫下的黑體輻射在可見區域。其他紅外輻射源包括自然來源（如太陽）和人造來源（如帶隙約為 1.4 eV 的 LED）。

紅外輻射用於科學、軍事和商業應用，例如天文學、目標搜尋、夜視鏡、熱療等。紅外輻射最突出的影響是熱量，過度暴露會對眼睛造成危險。

常見問題

Q1. 紅外輻射會影響細胞，導致癌症風險增加嗎？

A1. 不會。紅外輻射沒有足夠的能量來增加患癌的風險。但是，皮膚溫度升高會影響我們體內 DNA 修復的速度。

Q2. 我們如何阻擋來自太陽的紅外線？

A2. 一層窗玻璃或塑膠足以阻擋紅外輻射，因為它沒有足夠的能量穿透這些物體。

Q3. 夜視和熱成像是相同的嗎？

A3. 不是。熱成像捕捉某個區域熱量分佈圖。另一方面，夜視鏡檢測紅外光子，然後放大訊號以生成使用者周圍環境的影像。

Q4. 給出一個紅外在短程通訊中如何使用的例子。

A4. 大多數電視和空調遙控器使用紅外輻射相互通訊。即使在更長的通訊通道中，紅外輻射也常用於光纖通訊。

Q5. 如果紅外線是不可見的，我們如何看到透過紅外成像捕獲的影像？

A5. 存在多種方法可以實現這一點。熱成像可以生成熱圖，向我們顯示熱量變化的輪廓。或者我們可以將透過檢測紅外線生成的訊號轉換為影像，並根據強度應用顏色。