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凯发k8国际首页登录 什么是红外线?您需要知道的一切

2022-01-19 09:16:19

红外线是从任何物体发出的能量波,肉眼看不到,但物理上可以感觉到热量。该能量波在可见光谱中具有从 700 纳米(频率 430 THz)到 1 毫米(300 GHz)的长度(波长) 。

要首先了解什么是红外线,我们必须从它的起源开始。

红外辐射使人类有能力看到人眼无法看到的东西,并能够探索任何人以前涉足的地方。从军事的角度到平民的角度,红外技术的应用非常有用,不容忽视。想要更清楚地看到数千英里上空的天体的人偶然发现了红外线,这绝非巧合。正是这种好奇的心促使人类照亮了人类无知的一些最黑暗的场景。

研究红外光的性质对我们来说非常有利。它为我们在红外技术的应用中提供了一个更好的优势。这些知识应该使我们能够将热技术的用途扩展到人类最具挑战性的工作中,甚至可以扩展到地球最远的角落。或超越地球。当人类将他的影响力扩展到宇宙的遥远角落时。世界著名的天文学家威廉·赫歇尔爵士(Sir William Herschel),这位在 1800 年代偶然发现红外光的科学家,可能没有看到它。但他的发现为征服我们已知的宇宙铺平了道路,而且方式不止一种。

首先,要知道光的本质超出了我们人眼所能看到的范围。彩虹可能是对光的美丽的最精彩展示,但它并不是一幅完整的画面。不完全的。在如此鲜艳的色彩阵列中无法看到紫外线和红外线辐射。

赫歇尔爵士的肖像

有趣的是,弗雷德里克·威廉·赫歇尔爵士 (Sir Frederick William Herschel, 1738-1822) 追随他的父亲,一位多才多艺的音乐家,开始了他的音乐家生涯。威廉出生于德国汉诺威,加入了汉诺威卫队乐队演奏双簧管。1755 年,一个音乐教学职位让他搬到了英国。他在巴斯定居。

但正是他的爱好让威廉在世界范围内引起轰动。像他之前的伟人(艾萨克·牛顿爵士、伽利略·伽利莱)一样,威廉对天文学或天文学的研究非常感兴趣。34 岁时,这位德国移民买了一本天文学书和一个小型望远镜。那个小小的举动将被证明是音乐老师人生的转折点。

赫歇尔研究了牛顿的望远镜设计并对其进行了改进,自己铸造和抛光镜子。在这个过程中,他制造了更强大的望远镜,让他能够“更远”地研究我们已知宇宙中的天体。

然后出现了一个突破,这将使弗雷德里克·威廉·赫歇尔成为英格兰国王乔治三世国王的私人天文学家。威廉在 1781 年独自工作时发现了天王星。

最终,他被封为爵士并被接纳为皇家学会会员。荣誉和资金支持紧随其后。最终,他成为成立于 1820 年的享有盛誉的英国皇家天文学会的第一任主席。如今,他和他的妹妹卡罗琳一起被认为是现代天文学的支柱之一,采用彻底的数学方法研究恒星。

但弗雷德里克·威廉·赫歇尔爵士对人类的贡献并没有结束于天文学。对恒星的研究推动了一项更实用的发明:热技术。

1800 年,威廉开始试验太阳光线。他使用了不同的滤镜,并观察了每种滤镜如何生成各种颜色。

最后,他使用了一个与几个世纪前牛顿实验非常相似的棱镜。这次他用温度计记录了彩虹产生的每种颜色的温度,这种现象后来被命名为电磁波谱。

Herschel 观察到,当将温度计从彩虹的紫色部分移动到红色部分时,温度会升高。

令人惊讶的是,他发现太阳光产生的彩虹红色部分以外的区域记录了更高的温度。由于这种光低于电磁光谱的红光,因此被称为“红外光”。提到的区域是不可见的,不会产生可见的颜色。但由于他能感觉到那部分的热量在上升,他称之为“辐射热”。

值得注意的是,许多当代英国科学家反对赫歇尔将光和热结合为一个实体。在这一点上,电磁频谱的想法还没有孵化出来。就连威廉也不太确定这两个实体之间的关系。最终,他回到了天文学,使他关于光的性质的工作有些不确定。

今天,欧洲航天局的红外天文台以赫歇尔命名。

红外线辐射的性质

左边是彩虹,右边是色谱

红外 (IR),通常称为红外光和红外辐射,是波长比可见光更长的电磁辐射 (EMR)。

了解红外光对人眼是不可见的。彩虹是光照射水滴时产生的全光谱电磁能,就像光穿过棱镜一样。每种颜色代表不同的波长。

然而,就像赫舍尔的实验一样,彩虹不会显示红外光。红外线存在但不可见。你只能看到彩虹的颜色,按照波长的顺序,从最长到最短:

  • 红色的

  • 橘子

  • 黄色的

  • 绿

  • 蓝色

  • 靛蓝和

  • 紫色

该列表表明,人眼也看不见的来自太阳的紫外线的波长比长波长的红外光短。

我们眼中的视锥细胞可以接收光谱或380 至 700 纳米范围内的辐射。这就是为什么我们在彩虹中看到红色到紫色以及介于两者之间的所有颜色的原因。

然而,红外辐射 (IR) 的波长超过 700 纳米。它可以高达一毫米。但是你能看到红外辐射的可能性很小。

想想 EM 或电磁频谱。其中一部分是可见的;彩虹向我们展示了这一点(棱镜实验中的可见光也是如此)。紫色是可见光谱中波长最短的部分。除此之外是紫外线。Ultra 在拉丁语中是“超越”或“以上”的意思,因此紫外线在 EM 光谱中高于紫色。而且由于紫外线的波长短于 380 纳米,我们看不到它。

EM 光谱的另一端是红色。它在可见光谱中具有最长的波长。红色旁边是红外光谱。Infra 在拉丁语中是“低于”的意思,因此红外线实际上是低于红色的。而且由于它的波长比可见光谱长,我们也看不到它。

然而,当红外辐射可见时,存在某些条件。已从特殊脉冲激光中观察到波长高达 1050 nm 的红外。对此的具体科学解释尚未完全探索。

因此从技术上讲,IR 波长从 700 纳米(频率 430 THz)到 1 毫米波长(频率 300 GHz)。需要注意的是,在接近室温的情况下,大部分(如果不是全部)发射的热能是红外辐射。与 EM 光谱中的所有波一样,IR 是辐射能,这使得 Herchel 的辐射能理论得到了证实。此外,它的行为也像它的量子粒子,光子。

这或许可以解释可见红外光的情况。专家认为,如果不止一个红外光子同时击中眼睛,人眼就可以看到红外辐射。

因此,红外辐射的存在意味着热量的存在。物体越热,红外辐射越多。具有强烈热量的太阳具有更长的红外波。高温的另一个来源是火。

请注意,地球上的所有物体都会以热的形式发出红外光。相反,人类已经学会了利用红外线。当您使用智能电视的遥控器时,您使用的是红外线,或者 Herschel 所说的“辐射热”。

与其他辐射能相比

色谱图

红外辐射是更大的电磁 (EM) 光谱的一部分,其中包括所有类型的 EM 辐射。需要注意的是,任何辐射都具有扩散的特性。因此,您的灯发出的光是电磁辐射(可见光),而老式收音机发出的音乐也是另一种电磁辐射。

根据特定波长,红外辐射本身被细分为三个主要部分。它们的带宽是:

  • 近红外 (NIR):波长为 0.75 – 3 μm

  • 中红外 (MWIR):波长为 3 - 50 μm

  • 远红外线 (FIR):波长 50 - 1000 μm

这些数字符合 ISO 20473 的规定。但是,天文学和其他国际机构采用不同的划分方案。

紧挨着红外线辐射的是微波辐射,它因在家中用来烹制爆米花的微波炉而流行起来。微波辐射的波长范围从大约一米到一毫米不等,携带的频率范围从 300 MHz (1 m) 到 300 GHz (1 mm)。

微波中的微表示与在 EM 光谱中跟随微波辐射的无线电波相比,它具有更短的波长。无线电波携带的频率低至 30 赫兹,最高可达 300 吉赫兹。

请注意,EM 区域之间的边界是相当随意的,并且可能在各种形式的研究中有所不同。由于它属于一个电磁光谱,各种形式的辐射相互褪色,像彩虹的颜色一样相互关联。

在 EM 光谱中,X 射线辐射仅次于紫外线辐射。因此,它的波长范围从 10 皮米到 10 纳米,甚至比紫外线的波长还要短。然而,X 射线具有如此强大的穿透能量。

最后,伽马射线是一种最强大的能量形式,其波长甚至比 X 射线还要短。它的光子如此强大,以至于伽马射线已被广泛用作核弹的破坏性武器。

美国宇航局认为最大的伽马射线发生器是宇宙本身。

另一方面,来自太阳的红外光负责地球加热的 49%。

但是其余的热量到达地球呢?

需要注意的是,红外线并不是“辐射热”的唯一来源;所有电磁带宽都会加热所有吸收它们的表面。因此,影响地球的其余热量是由适当吸收然后再次辐射的可见光引起的。这次是更长的波长。

与夜视相比

夜视与红外线的双目视图

夜视是奇迹。在许多电影中,夜视镜及其在黑暗中看到的能力吸引了许多电影爱好者的想象力。

但夜视与红外热成像技术相比如何?您可能很想知道,因为您想知道哪种设备可以帮助您在夜间更好地驾驶。

夜视仪在那里专门用于军队有一段时间了。然而,今天有一些智能手机能够使用夜视技术。

知道夜视仪使用与标准相机相同的技术,但有一个例外。夜视摄像机在更大的放大倍率下工作。因此,它们能够在黑暗的环境中吸收最轻微的光线。一旦被捕获,这种光就会被放大,然后被描绘成带有绿色色调的图像。

因此,夜视可以更好地描述为“图像增强器”。这就是夜视和热红外技术的不同之处。

在漆黑的黑暗中,如果没有最微弱的光线,夜视就会变得毫无用处。随着光的减少,它的有效性急剧下降。因此,如果使用夜视的军事行动是在月球被乌云挡住的情况下进行的,则能见度可能会受到影响。

但如果热像仪帮不上忙,那就不行了。

热像仪使用红外扫描技术。因此,它能够测量它们面前物体的热特征。反过来,这些热特征被转换成图像,指示哪个部分最热,哪个部分最冷。物体越热,它在热扫描中的表现就越亮。

现在,这一切都意味着热像仪不需要光来知道物体的存在。由于它能够检测热量或红外辐射,因此不需要可见光即可知道物体的存在。因此,即使是最猛烈的风暴或最恶劣的天气也不会影响其从远处确定温度的能力。

因此,即使在漆黑的夜晚,热像仪也能够确定物体的存在。或者就此而言,图片中存在一个活生生的个体。

更好的是,今天的热扫描技术能够扫描一千英尺甚至更多。与夜视相比,这使其成为夜间驾驶时更理想的工具。

当今最流行的红外线辐射用途

红外线常用用途图

许多技术使用红外辐射背后的科学。今天最突出的是热成像技术。

红外热成像 (IR T),也称为热成像或红外成像,已被用于从远处确定物体的温度。最初,这项技术被军方最大限度地利用。然后它逐渐渗透到消防和工业用途。一段时间后,红外技术最终普及了大众。

今天,由于生产成本大大降低,红外成像技术已成为建筑和家庭检查的标准工具。这是被称为热像仪的便携式便携式相机的形式。

在2020年初开始震撼世界的新冠疫情期间,热成像技术的优势得到了最大限度的利用。热成像技术成为限制病毒快速扩散的重要工具。

通过从安全距离检测热能,红外热像仪已成为疫情期间几乎所有公共场所的标准工具——从政府到企业再到家庭。

热像仪在电磁光谱的近红外 (NIR) 和中红外 (MWIR) 范围内工作,大致为 900 至 14,000 纳米或 0.9 - 1.4 微米。

在军队中,热追踪导弹使用红外跟踪,也被称为红外寻的。这些导弹被称为寻热器,因为它们的目标是另一个热体的热辐射。

红外线的其他流行用途是作为一种蓄意的热源,例如红外线桑拿。它还被用于去除飞机机翼上的冰块。

不甘示弱,该行业还通过在各种制造过程中使用红外线加热,例如:

  • 印刷干燥

  • 塑料焊接

  • 退火

  • 塑料成型

  • 涂层固化

今天,许多夜视设备都带有红外探测功能。这是为了弥补传统夜视设备在可见光不足的情况下无法检测到物体的问题。

在艺术中,红外反射可以判断一幅画的真伪。由于红外线在不破坏绘画的情况下揭示了底层,艺术家的底图——他的草图和轮廓——将显示出来。在这个过程中,专家会知道一幅画是大师的作品还是赝品。

同样,可以使用红外线对古代书面文件和物品进行身份验证。死海古卷就是一个例子。

弗雷德里克·威廉·赫歇尔爵士的发现现在已成为天文学的标准方法。NASA 正在使用红外技术来确定行星、恒星和星云等天体中是否存在热量。

空间红外望远镜充分利用了红外天文学。例如,即使在原恒星或年轻恒星能够发射可见光之前,红外线也有助于检测它们。

赫歇尔一生中可能没有见过它,但他的作品为他对天文学的热情结出了硕果。毕竟他是对的。几个世纪前他的光棱镜实验比以往任何时候都更有益于人类。此外,它使今天的科学家能够继续人类探索宇宙的梦想。很简单,这就是热辐射的惊人之处!

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