魅力红外

来源：上海技术物理研究所　　 作者：徐文兰　　 时间：2006-12-01 11:16:05　　 点击数：1594

2003年的春天是难忘的，那场“非典”的灾难至今让我们谈虎色变。可是也正因为“非典”，普通老百姓真真切切地感受到了红外技术的玄妙。机场、车站和码头的 “红外非接触体温计” 为南来北往的旅客担当起守望卫士的角色。“非典”流行过去了，我们想知道，红外是什么？除了测量温度外，它还有什么神奇功能？

一、红外线的意外发现
国学大师王国维描述过做学问的三个境界，告诉人们，“回首看，那人却在灯火阑珊处”的意外喜悦，来自于“昨夜西风雕碧树，独上高楼，望断天涯路”的艰辛以及“为伊消得人憔悴，衣戴渐宽终不悔”的磨砺。科学上这样的例子不胜枚举，红外线的发现同样如此。1800年曾经发现天王星的英国天文学家威廉·赫谢尔爵士在测量太阳七色光的温度时偶然发现，含热量最多的高温区，居然位于可见红光的外侧。看来，太阳发出的光线中除可见光外，还有人眼看不见的“热线”，因为这种看不见的“热线”位于红色光外侧，因而叫它为红外线或红外辐射也就是理所当然的了。不过当时谁也没有料到红外线的意外发现竟导致了它后来如此多的应用。红外线其实是无处不在的。光辉的太阳、燃烧的蜡烛、炽热的火炉固然会发出我们肉眼看不到的红外线；任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。所以，房间里的桌椅、睡床有红外线、我们自己的身体也发出红外线，即使冰天雪地，照样有红外线！

二、红外线的本质－电磁波
打开收音机，美妙的音乐响起了，大家都知道它们是通过不可见的电磁波从电台传播过来的。电磁波是电场和磁场的周期振动，传播速度为每秒30万千米，也是光作为一种电磁波的速度。不同电磁波的区别在于频率或者波长。所谓的中波、短波收音机指的就是可以接收波长在几百米和几十米范围内的电磁波。我们熟悉的交流电频率是50赫兹，也就是说，交流电中电磁场每秒变化50周。根据波长是每一周电磁波传播的距离这一概念，可以得到交流电的波长等于前面提到的光速除以频率，即为6000千米。可以说是我们遇到的波长最长的电磁波了。可见光的波长在380到780纳米之间。纳米，也就是毫微米，是米的1亿分之一，是个很小的长度单位。现在很流行这个单位。纳米材料、纳米技术就涉及到这个长度。再回过头来说红外光，它就是一类电磁波。波长比可见光中波长最长的红光还要长。根据红外光波长的大小，也根据它们离可见红光的远近，可以把它们分为近、中、和远红外： 近红外波长为0.78～3.0微米； 中红外波长为3.0～20微米； 远红外波长为20～1000微米。

三、红外辐射的规律
既然红外线就是电磁波，那么所有关于电磁波的规律都适用于描写红外线，但在历史的进程中，由于红外辐射和热密切相连，人们往往另外总结出一些对于描写红外辐射更为直接和有用的规律，毫无疑问，这些规律同样适用于其他波段的电磁波。学习这些定律，你就如同与一群睿智的学者一一谋面。
黑体和发射率：首先介绍一下什么叫黑体。所谓黑体，就是指能吸收所有的外来辐射并全部再辐射的物体。现实世界不存在这种理想的黑体，可以用发射率来标志一般物体和理想黑体之间的差异。发射率就是真实物体辐射能量与同温下黑体的辐射能量之比。显然，发射率是介于0与1之间的正数。一般说来，一个物体的发射率是波长和温度的函数。它表示了物体的辐射本领。理想黑体的发射率在任何温度和波长下都为1。
普朗克辐射定律：普朗克（Max Planck 1858～1947）是近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人，1918诺贝尔奖获得者。普朗克辐射定律描述了黑体单位表面积在波长λ附近，单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、绝对温度T的关系。如果以波长为横坐标，黑体光谱辐射度为纵坐标，可以对不同的温度画出不同的曲线，这些曲线是不相交的，每条曲线有一个极大值。在任何一个波长下，温度越高，光谱辐射度越大。普朗克辐射定律是黑体辐射理论的重要基础，下面两个定律虽然是独立发现的，事后知道，其实也可以从普朗克辐射定律推导出来。
维恩位移定律：维恩(Wilhelm Wien 1864-1928)也是德国人，获1911年的诺贝尔奖。1893年发现了这个定律，三年后又从普朗克辐射定律推出这个定律。定律表明黑体辐射的峰值位置，即最大辐射度所对应的波长和黑体温度的乘积是个常数。所以随温度降低，峰值波长要向长波方向移动。当加热的电炉关闭时，随着温度的下降，电炉丝的颜色从明亮变到暗红乃至恢复到电炉丝的本色，就是这个道理。
斯蒂芬－玻耳兹曼定律:是斯蒂芬（J.Stefan l835—1892）从实验上发现的，由德裔奥地利物理学家玻耳兹曼（L.Boltzmann l844—1906）从理论上加以证明。黑体的辐射能力，即它每秒以电磁辐射的形式发射的能量，正比于它的温度四次方（W＝σT4）。因此，温度越高，黑体辐射的能量就越多。 这与人们的直观感觉是相同的。该定律也可以从普朗克辐射定律对全波段的波长积分而得到。
上述几个定律虽然是描写黑体辐射规律的，但对于任何物体都是适用的，关键是因为普通物体和黑体的差异已经用了前面介绍的发射率来表示。所以从黑体辐射计算得到的结果后，只要按发射率的大小打上相应的“折扣”，就可以得到真实物体的情况。

四、红外线的军事应用
“月黑风高夜，杀人放火天”，黑夜是历来兵家荫蔽自己，攻击敌方的大好时机。但在现代战争中，黑夜里的攻击变得越来越不容易了。这是因为正如前面说到的，任何物体都会发出红外线，人的眼睛看不见，不等于人做的仪器看不见。军用红外夜视仪就是一种可以探测红外光的仪器设备，在夜战中功不可没。早在二次大战的后期，在美军登陆进攻日本冲绳岛的战争中，红外夜视仪初露锋芒，把鬼鬼祟祟偷袭的日本兵看得真真切切，打得落花流水。红外夜视仪岂止只能在黑夜行事。半个世纪后的海湾战争中，美军装备的红外夜视器材，可以透过弥漫的风沙和硝烟，发现伊拉克军的坦克，就是因为坦克的红外辐射吸引了探测器的“眼球”。
响尾蛇是一种毒蛇，因其尾部摇动时会发出尖锐的响声而得名。它的眼睛和鼻子间有一个能感觉热量的小颊窝，以帮助追踪猎物。 其实，比真正响尾蛇有名气的是“响尾蛇”红外制导导弹。在英阿马岛之战和海湾战争中，飞行员们都闻“蛇”丧胆。因为，在这两场战争的空战中，大部分飞机都是被“响尾蛇”导弹击落的。“响尾蛇”导弹属于那种 “发射后不管”的导弹。自己带有红外探测器，可以接受到飞机发动机辐射出来的红外线，从而死死咬住飞机，最终将飞机击落。随着科学技术的发达，探测器的目光越来越犀利。红外侦察、搜索、制导使现代化的武器如虎添翼。
　  红外在现代战争中不但用于进攻，也用于防守。当年，越南军队曾使用原苏联的“萨姆—7”红外制导导弹，创纪录地在一个月内击落了24架美军战机。但后来美军使用了一种可以辐射出强烈红外线的干扰诱饵弹。在作战中，美军把它们投放到被保护目标的周围，当“萨姆—7”导弹再次扑向美军战机时，就像中了邪一样，被那些诱饵吸引转向了。 海湾战争中，美军共发射了红外诱饵弹1．25万发，有效地误导了伊军的光电制导武器。利用红外的探测、隐身、反隐身技术一直是高科技现代战争的重要特色。

五、飞入寻常百姓家
如果说昔日主要用于军事领域的红外技术是“养在深闺人未识”的话，那么如今它早已飞入寻常百姓家了。红外门铃、防盗报警器、红外照明灯靠接收人体的红外线感应动作；宾馆、重要场所的红外火灾报警器靠感应火苗的温度而报警。红外技术正走进我们日常生活的每一个角落。
红外遥控：吃完晚饭，一家人团坐在一起，看起了电视。手指轻轻一按，瞬间频道转换。连呀呀学语的稚童都能感受到遥控的快乐。遥控可以选择多种方法，可是为什么目前的家用电器都用红外线呢？让我们来看看其中的奥妙。我们手中的遥控器就是个红外线的发射器，由红外发光二极管可以发出近红外波段的光。而电视机前端有一个光敏二极管作为红外接收器。每一次按钮，就发出一束不可见的红外光。电视机根据接受到的红外光改变频道。可以设想，如果发出光是可见的，那么就好像手电筒光在眼前乱晃，这可怎么得了。这样，红外光的不可见性正好为我们所用。此外，红外波长远小于无线电波的波长，红外遥控就不会干扰其他家用电器的工作。再者，遥控器的近红外光紧靠着可见光，光线的传播特性与可见光类似，从而无需重新设计，就可利用现成的可见光光学装置，完成近距离的传播。当然遥控器发出的红外光不能穿透障碍也是红外遥控的优点。不然，你这里一按按钮，隔壁房间的电视机如果也会响应，就会乱套，这里不需要无心插柳。
红外遥控的空调、音响、甚至窗帘等給人们带来了极大的便利。可是目前的遥控器还只能“各司其职”，管空调的遥控器只能指挥空调，管音响设备的只能指挥音响。面对着茶几上一大堆遥控器，人们不禁期盼什么时候只用一个遥控器，控制所有的家用电器就好了。科学家们早就摸透了老百姓的心思。现在，可以统一控制多个家电的全能遥控器已经面世。其设计思路就是通过模拟各种遥控信号编码，来实现对相应电器的遥控功能。通过相应按钮可以切换控制不同的家电。当然要实现全能遥控功能，还需要让它首先“学习”。“启蒙老师”就是家用电器的原配遥控器。经过各位“老师”的“调教”，全能遥控器就可以包罗囊括各位“老师”的功能，指向那就指挥控制那。
红外摄影：红外摄影具备一种超现实、如梦如幻的效果，能给人以完全不同于普通摄影的强烈艺术震撼。例如，它能把夏天里的绿草如茵拍成冬季里的白雪皑皑。很早就有专业摄影师开始探索红外线摄影的艺术表现。 除了艺术创作之外，红外摄影还被用于某些特殊领域，比如在漆黑无光的环境下拍摄肉眼无法看见的景象，摄录肉眼难以看清的犯罪痕迹，辨认那些经过涂改、伪造或烧坏的文件、鉴定真假文物等等。早在上世纪30年代，美国加州的亨廷顿图书馆就用红外摄影方法，透过对红外透明的涂改墨水，显露出馆藏文物被修改前的原貌。英国大不列颠博物馆也曾用红外摄影方法辨认了远古时代的埃及经文。红外摄影可以辨别肉眼难以辨别的血迹、尘埃等，为公安人员的破案提供了确切的证据。随着名画价格的飙升，仿造名画在国际上屡禁不绝。通过红外摄影，可以和其他技术一起辨别名画的真伪。红外摄影可以分析画家的风格，例如可以检测出画家在画布上用碳笔打出的轮廓，以及画家在构思中所做过的修改。维莱斯奎兹是十七世纪西班牙国王菲腊四世的宫廷画师。他的一幅画作卖出了一百万美元的高价。用红外摄影方法看出此画的底部有用笔勾勒的痕迹，从而断定此画绝非真品，因为维莱斯奎兹作画从来不打草稿。
红外保暖：红外和热的直接联系使我们对于红外烘烤和红外取暖不会感到陌生。但是，红外内衣的保暖却是近年来的新宠。在都市人要风度也要温度的时尚追求牵引下，曾几何时，市场上充斥着林林总总的保暖内衣。一时间，关于内衣的广告铺天盖地。各路明星褪去了性感的、前卫的时装，居然穿着棉毛衫裤纷纷亮相，让“地球人”目不暇接、眼花缭乱。商家们无非是想告诉大家，他们的产品具有发射红外线的功能。看了本文的介绍，聪明的读者可以知道，因为普通棉织物的发射率就已经高达0.75，通过添加红外发射率较高的物质，又能使所谓的保暖内衣的发射率提高多少呢？更何况，衣服的保暖和舒适其实与衣服的“热阻”，一个衡量热绝缘性能的物理量有关。所以，中国消费者协会在2001年公布了38种品牌保暖内衣比较试验结果，以正视听。硝烟弥漫的保暖内衣“价格战”、“广告战”、“拆台战”慢慢地也偃旗息鼓了。同样，了解了有关的红外知识，对红外取暖器的广告也应该理性地看待。
红外医学 ： 非典时期，出行的人们必须接受红外测温仪的检查。通常的温度计是利用水银热胀冷缩特性来测温的，而红外测温仪则依据了红外线强弱和温度有关的斯蒂芬－玻耳兹曼定律。红外测温仪的测量速度快，又是非接触测量。但因为测量的是体表温度，测量精度又容易受环境条件的影响，所以也只能供排查SARS病人作参考。但是，记录被测对象温度分布的红外医学影像技术却被广泛地运用于现代医学之中。医用红外热像仪操作时不接触人体，不发出辐射，对人体没有任何损害或副作用，即使频繁使用也不会对人体产生不良影响，这是X线、CT、B超等检查设备所无法比拟的优点，所以是当之无愧的“绿色体检之王”。许多疾病在发病早期，温度的变化往往非常细微。捕捉“青萍之末”的微小温差就是医用红外热像仪的本领了。目前它的温度分辨率可达0.01℃。所以，红外在癌症的早期诊断、血液系统、神经系统、烧伤、断肢再植、中医研究等领域都有其独到之处。据说，医用红外热像仪还是一种唯一可以觉察疼痛的影像学仪器。当然，红外热像仪的非接触测温为工业过热事故的诊断也起到了非常积极的作用。
红外光学指纹：在科学领域内，经常使用一种被称为红外光谱的实验手段。前面提过，所有的物体都会发射红外线，但每一个物体发出的红外线特征都是不一样的，好比每个人的指纹各不相同。材料发射的红外线频率、强度等特征就构成了材料的红外光学指纹。科学家们日积月累，把测量、收集到的各种材料的红外光谱，即红外光学指纹，编成图谱，作为人们识别材料、乃至发现新材料的参考。至于天文学中用红外光谱确定星球的组成，气象学中用红外光谱识别云层的分布等等其实都在利用物质的红外光学指纹。红外光谱方法同样得到宝石鉴定师的青睐。一块人造宝石看起来与天然宝石的外观、光泽、硬度相差无几，但其价值显然不能与天然宝石相提并论，如何识别它们呢？做一下红外光谱实验，细微差别马上显现。中药是中国的瑰宝，甚至可称为中国古代第五大发明。中药的疗效和中药的质地、产地都有关系，似乎很玄。然而，大多数药材的红外光谱鉴别特征明显，其稳定性、重现性较好，可作为药材真伪及产地的快速鉴别依据。由“中药指纹图谱分析”引发的一场中药产业革命正悄然来临。
“春阴垂野草青青，时有幽花一树明”。纵观天、地、人；历数工农业、国防、科学领域，我们都能发现红外应用美丽、动人的身影。红外的应用无边，红外的魅力无限！