第1章　紅外輻射的基本理論

1.1　紅外輻射的基本概念

能量以電磁波或光子的形式發射傳遞的方式稱為輻射。電磁輻射遵循橫波傳播定律，所謂橫波就是振動方向垂直于傳播方向的波動。圖1-1為電磁輻射波譜及產生的機理。電磁波的波長范圍很寬，短波有γ射線、X射線和紫外線，這主要是高能物理學家和核工程師所感興趣的部分，它是靠放射性裂變與電子轟擊產生的；而長波的微波與無線電波則為電氣工程師所關心，是靠電子回路的放大振蕩產生的。波長從0.76μm至100μm的電磁波譜稱為紅外線，是由固體中的分子振動或晶格振動或固體中束縛電子的遷移產生的。

圖1-1　電磁輻射波譜及產生的機理

紅外線是怎樣發現的呢？1676年，牛頓用玻璃做的三棱鏡發現了可見光譜有7色，即紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。1800年，Herschel（赫舍爾）想測量這7種光中到底有多少熱量，在7種色帶上分別放上1支水銀溫度計，同時將1支沒有用的溫度計放在靠近紅區的外部，他偶然發現這支在暗處的溫度計升溫特別高，因它位于可見光紅區的外部，因而得名紅外線。

紅外輻射的真實性質及其傳遞機理，人們至今還沒有完全搞清楚。麥克斯韋根據電磁場結構理論提出了電磁波動說，認為輻射的能量是由電磁波傳送的。20世紀初，以愛因斯坦和玻爾為代表，提出了光量子論，認為光對物質的主要影響是光電效應。光電效應定律為：

E=hν　　　（1-1）

式中，E為一個光子的能量，J；h為普朗克常數，h=6.624×10^-34J·s；ν為光子的頻率，s^-1。

這一理論在光電子發射、光子探測器方面均得到了應用。熱像儀中的光子探測器就是通過光電效應將光子轉換為電信號，此電信號的數值單位稱為熱值（IU），而熱值又與輻射溫度相關，因而可用熱像儀測試物體表面的溫度場。因為無論用電磁波動說還是光量子論的任何一種，都未能全部解釋清楚所有實驗觀察到的結果，但是輻射能的傳遞可以依靠電磁波或光子能量發射，這已被證實，因此，人們稱輻射具有雙重性，即電磁波與光子的特性。

所有的電磁波和光子發射都是以光速傳播的。真空中的光速為C₀=2.9977×10¹⁰m/s，常被取作3×10¹⁰m/s。其他介質中的光速都比真空中的小，可用介質的折射系數n求出，即C=C₀/n，氣體中的n≈1，因此，在氣體中波速亦被取為3×10¹⁰m/s。不同的單色光必定具有不同的波長，波長比頻率容易測準，所以測試物體的發射率或吸收率的紅外光譜儀其橫坐標均以波長（或波數）表示。但出現折射時，射線從一種介質進入另一介質，頻率不變，而光速與波長將發生改變，因此，輻射具有典型的波性質。波長和頻率之間的關系為：

C=λν　　　（1-2）

式中，C為光速，m/s；ν為頻率，s^-1；λ為波長，m。

輻射亦稱為光學輻射，因而有關光的投射、反射、折射的概念和規律，同樣適用于熱輻射。圖1-2為投射到物體上的輻射能的分配。輻射熱流Q_E投射到物體2上，一部分Q_A被吸收，使物體升溫，一部分Q_R被反射，還有一部分Q_T被透射。這種吸收、反射、透射份額的大小由物質的性質所決定，稱為該物體對外來輻射能流的吸收率A、反射率R和透過率T，即：

圖1-2　投射到物體上的輻射能的分配

　　　（1-3）

根據能量守恒定律，則：

A+R+T=1　　　（1-4）

從物理意義上看，A、R、T每個量只能在0～1的范圍內變化。被反射和透射的輻射能流除部分被空間介質沿途吸收外，又將落在周圍其他物體上，依次被吸收。由此可見，自然界中每一個物體在不斷地向空間發射輻射能的同時，又在不斷地吸收來自周圍其他物體的輻射能。輻射與吸收的綜合結果即為輻射換熱，這種相互作用的概念十分重要。

物體之間不發生相對位移，只依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為導熱。而冷、熱流體相互摻混或流體內部因有溫差產生流體的流動換熱稱為對流換熱。可見，無論是導熱還是對流換熱均需有介質傳遞能量。而熱輻射可以在真空中傳遞能量，且輻射能僅與溫度的4次方成正比，而不是像導熱與對流那樣是與溫度的1次方成正比，這也是輻射傳熱的另一特點。