电磁波谱与红外辐射以及红外辐射的基本理论

摘要

经过长期探索，人们掌握了红外辐射的基本规律，不断研制出新型、优质红外探测器件，发展了红外光谱和红外成像等重要技术，并使之在当代许多领域，尤其在遥感、军事及其它高科技领域占据突出地位。本文第一部分介绍了电磁波谱以及红外辐射的历史，红外光谱，红外辐射等；第二部部分介绍了红外辐射理论相关的三个理论即普朗克定律，斯蒂芬玻尔兹曼定律和维恩位移定律。

关键词：电磁波谱红外线红外辐射黑体辐射

目录

摘要................................................................ I 第一章序言 (1)

第二章电磁波谱与红外辐射 (2)

2.1红外线的发现 (2)

2.2电磁波谱 (2)

2.3红外光谱 (5)

2.4红外线的主要效应 (5)

2.5红外辐射的特点 (6)

第三章红外辐射理论 (7)

3.1普朗克（Planck）定律： (7)

3.2斯蒂芬-波尔茨曼（Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)： (9)

3.3维恩位移定律(Wiendisplacementformula) (10)

第四章结论 (12)

参考文献 (14)

第一章序言

“红外物理”与“红外技术”作为学科名称是本世纪05年代末公开出现的，二次世界大战期间，法西斯德国研制成硫化铅红外探测器、测辐射热计以及一些红外材料，利用这些元部件做成了多种军用红外系统。有些巳达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都没有来得及到战场上实际使用，德国就无条件投降了.这些红外技术成果就成为盟国的战利品。美国在二次大战期间也在研究红外技术，战争结束又增加了不少红外技术战利品，鉴于红外技术在军事应用中的重要性，他们就更大规模地继续发展红外技术.而且仍在严格保密条件下.直到1959年才以“ProeeedinofIRE”9月号的专刊形式，公布他们在十多年中所积累的“有关红外物理与技术的基本信息”，并称这个专刊“实质上是一个有关红外的教科书”.这个专刊就叫做“红外物理与红外技术”。6 0年代初，美国又出现了几本有关的教科书。1961年又出现了一份国际性《红外物理》的学术刊物。可以说，这时红外技术已经是一门成熟的技术学科.从近半个世纪的发展情况来看:“红外技术”是一门研究红外辐射的产生、传播、转化及检测的方法和工艺，发展它在工业、农业、军事及科学研究中应用的技术学科.它的内容涉及:(1)红外辐射的性质，如受热物体的辐射在强度、方向上的分布，辐射在媒质中的传播特性—反射、折射、吸收和散射，热效应及光电效应。(2)红外元部件，如辐射源、探测器、微型致冷器、窗口材料及逮光片等的研制.(3)把红外元部件组成具有特定功能的红外系统所用的光学、电子学及精密机械.(4)在军事上及国民经济建设中的应用.实质上这些内容都是为了红外辐射的探测:如何有效地探测红外辐射，如何提高探测效能.因此可以说:红外技术主要是红外探测技术。

“红外物理”则是描述、分析和探讨与红外辐射的产生、传播、转化及检测有关的基本现象的科学.它的内容包括:(1)辐射发射的热力学，(2)辐射通过大气的吸收与散射，(3)辐射穿越各种凝聚物体的交互作用，(4)与红外辐射探测过程相联系的各种物理现象.简单地讲，红外物理就是红外技术所必需的物理学基础红外辐射是人眼感觉不到的一种电磁波.如何察觉它的存在，如何测量它的大小，是一个首先要解决的问题。执行这一任务的关键器件就是“红外探测器”。历史证明:红外探测器的发展是红外技术发展的中心问题.红外技术的应用所提出的要求在很大程度上制约着红外探测器的发展方向.红外技术的应用非常广泛，很难用简短的文字来描述它的发展历程。

第二章电磁波谱与红外辐射

2.1红外线的发现

1800年英国威廉.赫谢尔(W.Herschel，1738～1922)发现红外线，迄今仅202年。第一个百年，人们不断观察、实验、积累资料并吸收电磁学等相关学科的成果，终于认识了红外线的本质，掌握了红外辐射的基本规律。第二个百年，人们深入地研究红外与物质的相互作用并不断融进其它学科，形成了以光学和凝聚态物理为主的交叉学科-红外物理学；同时，技术开发和技术创新一波高过一波，使红外应用从军事国防迅速朝着资源勘探、环境监测、气象预报、海洋研究、医学诊治等关系到国计民生的各个领域扩展。如今可以不夸张的说，红外这一“看不见”的射线同“可见光”一样，“照耀”着人类社会活动的方方面面；尤其是在军事、遥感等高科技中，红外线与可见光、微波各以不同的功能，起着同等重要的作用。

2.2电磁波谱

在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们将这些电磁波按照它们的波长或频率、波数、能量的大小顺序进行排列，这就是电磁波谱。

依照波长的长短、频率以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。

无线电波为波长从3000米到10-3米，一般的电视和无线电广播、手机等的波段就是用这种波；微波为波长从1米到0.1厘米，这些波多用在雷达或其它通

讯系统；红外线是波长从10-3米到7.8×10-7米；红外线的热效应特别显著；可见光是人们所能感光的极狭窄的一个波段。可见光的波长范围很窄，大约在7600～4000埃（在光谱学中常采用埃作长度单位来表示波长，1埃=10-10米）。从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，波长大约从7600直到十分之几毫米。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分，波长从（7.8～3.8）×10-7米。波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从(380～10)×10-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。

由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测。无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的。一方面由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝长波长的方向扩展。日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠；伦琴射线这部分电磁波谱，波长从（10～0.01）×10-9米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的。随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展。在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ射线领域。

放射性辐射γ射线的波长是认1左右直到无穷短的波长；γ射线（伽马射线）是波长从10-10～10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。实际中用的无线电波是从波长约几千米（频率为几百千赫）开始。波长3000米～50米（频率100千赫～6兆赫）的属于中波段；波长50米～10米（频率6兆赫～30兆赫）的为短波；波长10米～1厘米（频率30兆赫～3万兆赫）甚至达到1毫米（频率为3×105兆赫）以下的为超短波（或微波）。有时按照波长的数量级大小也常出现米波，分米波，厘米波，毫米波等名称。中波和短波用于无线电广播和通信，微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。电磁波谱中上述各波段主要是按照得到和探测它们的方式不同来划分的。随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限与其他相邻波段重叠起来。在电磁波谱中除了波长极短（10-4埃～10-5埃以下）的一端外，不再留有任何未知的空白了。