电磁频谱 红外线

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简介

如果你还没有听说过光的本质之谜，这里有一个快速的复习：光在不同的场景下既表现为粒子又表现为波。虽然这种二象性的原因至今尚不清楚，但科学家们仍然能够独立地解释这些性质。

因此，我们现在知道，就其波的性质而言，光是一种电磁波，由电场和磁场组成，它们在相互垂直的方向上振荡。并且由于光表现得像波一样，所以你可以很容易地理解它一定具有一定的频率和波长。到目前为止，我们已经遇到了频率高达$\mathrm{10^{25}}$ Hz的光线或辐射。如此广泛的频率范围导致了不同类型的光波具有广泛的特性。因此，将所有这些频率划分为某些波段变得很有用。在本文中，我们将讨论这些频率的一个部分，称为红外区域。

什么是电磁频谱？

科学分支中的量可以取不同的值。有时，它们所取的值是以步长定义的。例如，在量子力学中，能量在大多数情况下是量子化的或数字化的。它们总是以步长变化，并且这些步长之间的任何值都是禁止的。简谐振子的能量就是一个这样的例子。

另一方面，许多量没有这样的限制，可以取任何值。术语“频谱”指的是这些量可以取的连续范围的模拟值。需要注意的是，频谱是连续的，而不是离散的。

电磁频谱是电磁波可以具有的频率的频谱或范围。正如我们前面提到的，它可以高达$\mathrm{10^{25}}$ Hz，而在低端，甚至观察到小于 1 Hz 的值。

什么是红外线？

我们能够看到的光被称为可见光。在这个可见区域中，红色具有最低的频率。因此，术语红外辐射指的是频率低于红色频率的辐射。请注意，这并不意味着任何频率低于 430 THz（红色频率）的辐射都是红外线。相反，红外区域的范围介于 300 GHz 和 430 THz 之间。

红外线人眼看不见，但无处不在。例如，所有接近室温的物体仅在红外范围内发射辐射。除此之外，火产生的热量也在红外范围内。但最显着的红外辐射源是阳光。到达地球的能量有一半以上是以红外线形式存在的。

多年来，红外辐射的用途已变得太多，无法在一篇文章中进行总结。广泛使用红外的领域包括科学、医学、军事、商业等。

红外线的起源

如前所述，太阳能量的一半以上以红外线形式到达地球，这使其成为地球上最大的红外线来源。然而，人工产生红外辐射非常容易。

几乎所有物体都在不断地发出红外辐射，尽管在大多数情况下，它太小以至于没有任何可见的影响。加热物体可以增加它们发出的红外辐射量。当你把手靠近热炉并感觉到它的热量而没有接触它时，你正在感受到红外辐射。另一种产生红外线的方法是使用带隙位于红外区域（约 1.4 eV）的 LED。这种方法最常用于红外线的产生。

红外线的特性

可见性

红外线位于可见区域之下，因此人眼看不见。但是，其影响可以以热量的形式感受到。此特性通常用于红外辐射的治疗应用中。

能量

红外辐射的能量甚至低于可见光。这意味着它们的穿透力非常低。甚至足够厚的纸堆也能阻挡红外辐射。窗户使用的玻璃非常有效地阻挡红外辐射。在人体皮肤上，红外辐射不会超过约 5 毫米。

安全性

红外辐射非常安全，尤其是在与可见光以外的辐射（如紫外线和 X 射线）相比时。请注意，无论是什么类型的辐射，过量的辐射都是有害的。例如，由于红外辐射携带热量，因此过度暴露会导致灼伤。

应用

医学应用

在 Covid-19 爆发初期，你一定看到了红外测温仪的销量激增。这些温度计检测目标发出的红外辐射量，并且可以在一秒钟内高度准确地检测温度。

红外线也用于治疗应用，例如热按摩、肌肉放松、纤维组织治疗等。

军事

红外辐射可用于在无需视线的情况下准确找到目标，因为它可以穿过大多数不透明物体。夜视镜也利用红外线生成用户周围环境的图像。

科学

红外辐射可用于研究天体和高度红移的空间区域。此外，红外成像可用于确定电子元件是否过热。天气预报和短程无线通信也利用红外范围。

影响

红外线携带热量，因此会导致吸收它们的物体升温。过度暴露于红外辐射不仅因为热量而危险，还因为它会影响眼睛，在极端情况下会导致损伤甚至失明。因此，红外辐射常见的工业环境必须仅使用特殊的防红外护目镜处理。

同时，红外辐射的加热效应意味着它可用于治疗普通感冒和疲劳，缓解肾脏功能，并帮助缓解其他形式的疼痛。

结论

电磁频谱是电磁辐射可以具有的频率范围。红外线是频率低于红光的电磁波。这对应于 300 GHz 到 430 THz 之间。红外辐射携带热量，并且几乎所有被加热的物体都会发出它。室温下的黑体辐射在可见区域。其他红外辐射源包括自然来源（如太阳）和人造来源（如带隙约为 1.4 eV 的 LED）。

红外辐射用于科学、军事和商业应用，例如天文学、目标搜索、夜视镜、热疗等。红外辐射最突出的影响是热量，过度暴露会对眼睛造成危险。

常见问题

Q1. 红外辐射会影响细胞，导致癌症风险增加吗？

A1. 不会。红外辐射没有足够的能量来增加患癌的风险。但是，皮肤温度升高会影响我们体内 DNA 修复的速度。

Q2. 我们如何阻挡来自太阳的红外线？

A2. 一层窗玻璃或塑料足以阻挡红外辐射，因为它没有足够的能量穿透这些物体。

Q3. 夜视和热成像是相同的吗？

A3. 不是。热成像捕捉某个区域热量分布图。另一方面，夜视镜检测红外光子，然后放大信号以生成用户周围环境的图像。

Q4. 给出一个红外在短程通信中如何使用的例子。

A4. 大多数电视和空调遥控器使用红外辐射相互通信。即使在更长的通信信道中，红外辐射也常用于光纤通信。

Q5. 如果红外线是不可见的，我们如何看到通过红外成像捕获的图像？

A5. 存在多种方法可以实现这一点。热成像可以生成热图，向我们显示热量变化的轮廓。或者我们可以将通过检测红外线生成的信号转换为图像，并根据强度应用颜色。