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(fā)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(dòng)方向垂直于傳播方向的波動(dòng)。圖1-1為電磁輻射波譜及產(chǎn)生的機(jī)理。電磁波的波長(zhǎng)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(xué)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(chǎn)生的；而長(zhǎng)波的微波與無(wú)線電波則為電氣工程師所關(guān)心，是靠電子回路的放大振蕩產(chǎn)生的。波長(zhǎng)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(dòng)或晶格振動(dòng)或固體中束縛電子的遷移產(chǎn)生的。

圖1-1　電磁輻射波譜及產(chǎn)生的機(jī)理

紅外線是怎樣發(fā)現(xiàn)的呢？1676年，牛頓用玻璃做的三棱鏡發(fā)現(xiàn)了可見(jiàn)光譜有7色，即紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。1800年，Herschel（赫舍爾）想測(cè)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(jì)，同時(shí)將1支沒(méi)有用的溫度計(jì)放在靠近紅區(qū)的外部，他偶然發(fā)現(xiàn)這支在暗處的溫度計(jì)升溫特別高，因它位于可見(jiàn)光紅區(qū)的外部，因而得名紅外線。

紅外輻射的真實(shí)性質(zhì)及其傳遞機(jī)理，人們至今還沒(méi)有完全搞清楚。麥克斯韋根據(jù)電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)理論提出了電磁波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為輻射的能量是由電磁波傳送的。20世紀(jì)初，以愛(ài)因斯坦和玻爾為代表，提出了光量子論，認(rèn)為光對(duì)物質(zhì)的主要影響是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)定律為：

E=hν　　　（1-1）

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

這一理論在光電子發(fā)射、光子探測(cè)器方面均得到了應(yīng)用。熱像儀中的光子探測(cè)器就是通過(guò)光電效應(yīng)將光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)的數(shù)值單位稱為熱值（IU），而熱值又與輻射溫度相關(guān)，因而可用熱像儀測(cè)試物體表面的溫度場(chǎng)。因?yàn)闊o(wú)論用電磁波動(dòng)說(shuō)還是光量子論的任何一種，都未能全部解釋清楚所有實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果，但是輻射能的傳遞可以依靠電磁波或光子能量發(fā)射，這已被證實(shí)，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(fā)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(zhì)中的光速都比真空中的小，可用介質(zhì)的折射系數(shù)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(zhǎng)，波長(zhǎng)比頻率容易測(cè)準(zhǔn)，所以測(cè)試物體的發(fā)射率或吸收率的紅外光譜儀其橫坐標(biāo)均以波長(zhǎng)（或波數(shù)）表示。但出現(xiàn)折射時(shí)，射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一介質(zhì)，頻率不變，而光速與波長(zhǎng)將發(fā)生改變，因此，輻射具有典型的波性質(zhì)。波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系為：

C=λν　　　（1-2）

式中，C為光速，m/s；ν為頻率，s^-1；λ為波長(zhǎng)，m。

輻射亦稱為光學(xué)輻射，因而有關(guān)光的投射、反射、折射的概念和規(guī)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(zhì)的性質(zhì)所決定，稱為該物體對(duì)外來(lái)輻射能流的吸收率A、反射率R和透過(guò)率T，即：

圖1-2　投射到物體上的輻射能的分配

　　　（1-3）

根據(jù)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(gè)量只能在0～1的范圍內(nèi)變化。被反射和透射的輻射能流除部分被空間介質(zhì)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(jiàn)，自然界中每一個(gè)物體在不斷地向空間發(fā)射輻射能的同時(shí)，又在不斷地吸收來(lái)自周圍其他物體的輻射能。輻射與吸收的綜合結(jié)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(fā)生相對(duì)位移，只依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱。而冷、熱流體相互摻混或流體內(nèi)部因有溫差產(chǎn)生流體的流動(dòng)換熱稱為對(duì)流換熱。可見(jiàn)，無(wú)論是導(dǎo)熱還是對(duì)流換熱均需有介質(zhì)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(dǎo)熱與對(duì)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(diǎn)。