來(lái)源：上海技術(shù)物理研究所　　 作者：徐文蘭　　 時(shí)間：2006-12-01 11:16:05　　 點(diǎn)擊數(shù)：1594

2003年的春天是難忘的，那場(chǎng)“非典”的災(zāi)難至今讓我們談虎色變?？墒且舱?yàn)椤胺堑洹?，普通老百姓真真切切地感受到了紅外技術(shù)的玄妙。機(jī)場(chǎng)、車站和碼頭的 “紅外非接觸體溫計(jì)” 為南來(lái)北往的旅客擔(dān)當(dāng)起守望衛(wèi)士的角色?！胺堑洹绷餍羞^(guò)去了，我們想知道，紅外是什么？除了測(cè)量溫度外，它還有什么神奇功能？

一、紅外線的意外發(fā)現(xiàn)
國(guó)學(xué)大師王國(guó)維描述過(guò)做學(xué)問(wèn)的三個(gè)境界，告訴人們，“回首看，那人卻在燈火闌珊處”的意外喜悅，來(lái)自于“昨夜西風(fēng)雕碧樹，獨(dú)上高樓，望斷天涯路”的艱辛以及“為伊消得人憔悴，衣戴漸寬終不悔”的磨礪。科學(xué)上這樣的例子不勝枚舉，紅外線的發(fā)現(xiàn)同樣如此。1800年曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)天王星的英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫謝爾爵士在測(cè)量太陽(yáng)七色光的溫度時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，含熱量最多的高溫區(qū)，居然位于可見(jiàn)紅光的外側(cè)?？磥?lái)，太陽(yáng)發(fā)出的光線中除可見(jiàn)光外，還有人眼看不見(jiàn)的“熱線”，因?yàn)檫@種看不見(jiàn)的“熱線”位于紅色光外側(cè)，因而叫它為紅外線或紅外輻射也就是理所當(dāng)然的了。不過(guò)當(dāng)時(shí)誰(shuí)也沒(méi)有料到紅外線的意外發(fā)現(xiàn)竟導(dǎo)致了它后來(lái)如此多的應(yīng)用。紅外線其實(shí)是無(wú)處不在的。光輝的太陽(yáng)、燃燒的蠟燭、熾熱的火爐固然會(huì)發(fā)出我們?nèi)庋劭床坏降募t外線；任何物體，只要它的溫度比零下273度高，就無(wú)一例外地發(fā)射出紅外線。所以，房間里的桌椅、睡床有紅外線、我們自己的身體也發(fā)出紅外線，即使冰天雪地，照樣有紅外線！

二、紅外線的本質(zhì)－電磁波
打開收音機(jī)，美妙的音樂(lè)響起了，大家都知道它們是通過(guò)不可見(jiàn)的電磁波從電臺(tái)傳播過(guò)來(lái)的。電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的周期振動(dòng)，傳播速度為每秒30萬(wàn)千米，也是光作為一種電磁波的速度。不同電磁波的區(qū)別在于頻率或者波長(zhǎng)。所謂的中波、短波收音機(jī)指的就是可以接收波長(zhǎng)在幾百米和幾十米范圍內(nèi)的電磁波。我們熟悉的交流電頻率是50赫茲，也就是說(shuō)，交流電中電磁場(chǎng)每秒變化50周。根據(jù)波長(zhǎng)是每一周電磁波傳播的距離這一概念，可以得到交流電的波長(zhǎng)等于前面提到的光速除以頻率，即為6000千米?？梢哉f(shuō)是我們遇到的波長(zhǎng)最長(zhǎng)的電磁波了?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)在380到780納米之間。納米，也就是毫微米，是米的1億分之一，是個(gè)很小的長(zhǎng)度單位。現(xiàn)在很流行這個(gè)單位。納米材料、納米技術(shù)就涉及到這個(gè)長(zhǎng)度。再回過(guò)頭來(lái)說(shuō)紅外光，它就是一類電磁波。波長(zhǎng)比可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的紅光還要長(zhǎng)。根據(jù)紅外光波長(zhǎng)的大小，也根據(jù)它們離可見(jiàn)紅光的遠(yuǎn)近，可以把它們分為近、中、和遠(yuǎn)紅外： 近紅外波長(zhǎng)為0.78～3.0微米； 中紅外波長(zhǎng)為3.0～20微米； 遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)為20～1000微米。

三、紅外輻射的規(guī)律
既然紅外線就是電磁波，那么所有關(guān)于電磁波的規(guī)律都適用于描寫紅外線，但在歷史的進(jìn)程中，由于紅外輻射和熱密切相連，人們往往另外總結(jié)出一些對(duì)于描寫紅外輻射更為直接和有用的規(guī)律，毫無(wú)疑問(wèn)，這些規(guī)律同樣適用于其他波段的電磁波。學(xué)習(xí)這些定律，你就如同與一群睿智的學(xué)者一一謀面。
黑體和發(fā)射率：首先介紹一下什么叫黑體。所謂黑體，就是指能吸收所有的外來(lái)輻射并全部再輻射的物體。現(xiàn)實(shí)世界不存在這種理想的黑體，可以用發(fā)射率來(lái)標(biāo)志一般物體和理想黑體之間的差異。發(fā)射率就是真實(shí)物體輻射能量與同溫下黑體的輻射能量之比。顯然，發(fā)射率是介于0與1之間的正數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)物體的發(fā)射率是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。它表示了物體的輻射本領(lǐng)。理想黑體的發(fā)射率在任何溫度和波長(zhǎng)下都為1。
普朗克輻射定律：普朗克（Max Planck 1858～1947）是近代偉大的德國(guó)物理學(xué)家，量子論的奠基人，1918諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。普朗克輻射定律描述了黑體單位表面積在波長(zhǎng)λ附近，單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率(簡(jiǎn)稱為光譜輻射度)Mλb (T)與波長(zhǎng)λ、絕對(duì)溫度T的關(guān)系。如果以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，黑體光譜輻射度為縱坐標(biāo)，可以對(duì)不同的溫度畫出不同的曲線，這些曲線是不相交的，每條曲線有一個(gè)極大值。在任何一個(gè)波長(zhǎng)下，溫度越高，光譜輻射度越大。普朗克輻射定律是黑體輻射理論的重要基礎(chǔ)，下面兩個(gè)定律雖然是獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，事后知道，其實(shí)也可以從普朗克輻射定律推導(dǎo)出來(lái)。
維恩位移定律：維恩(Wilhelm Wien 1864-1928)也是德國(guó)人，獲1911年的諾貝爾獎(jiǎng)。1893年發(fā)現(xiàn)了這個(gè)定律，三年后又從普朗克輻射定律推出這個(gè)定律。定律表明黑體輻射的峰值位置，即最大輻射度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和黑體溫度的乘積是個(gè)常數(shù)。所以隨溫度降低，峰值波長(zhǎng)要向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。當(dāng)加熱的電爐關(guān)閉時(shí)，隨著溫度的下降，電爐絲的顏色從明亮變到暗紅乃至恢復(fù)到電爐絲的本色，就是這個(gè)道理。
斯蒂芬－玻耳茲曼定律:是斯蒂芬（J.Stefan l835—1892）從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的，由德裔奧地利物理學(xué)家玻耳茲曼（L.Boltzmann l844—1906）從理論上加以證明。黑體的輻射能力，即它每秒以電磁輻射的形式發(fā)射的能量，正比于它的溫度四次方（W＝σT4）。因此，溫度越高，黑體輻射的能量就越多。 這與人們的直觀感覺(jué)是相同的。該定律也可以從普朗克輻射定律對(duì)全波段的波長(zhǎng)積分而得到。
上述幾個(gè)定律雖然是描寫黑體輻射規(guī)律的，但對(duì)于任何物體都是適用的，關(guān)鍵是因?yàn)槠胀ㄎ矬w和黑體的差異已經(jīng)用了前面介紹的發(fā)射率來(lái)表示。所以從黑體輻射計(jì)算得到的結(jié)果后，只要按發(fā)射率的大小打上相應(yīng)的“折扣”，就可以得到真實(shí)物體的情況。

四、紅外線的軍事應(yīng)用
“月黑風(fēng)高夜，殺人放火天”，黑夜是歷來(lái)兵家蔭蔽自己，攻擊敵方的大好時(shí)機(jī)。但在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，黑夜里的攻擊變得越來(lái)越不容易了。這是因?yàn)檎缜懊嬲f(shuō)到的，任何物體都會(huì)發(fā)出紅外線，人的眼睛看不見(jiàn)，不等于人做的儀器看不見(jiàn)。軍用紅外夜視儀就是一種可以探測(cè)紅外光的儀器設(shè)備，在夜戰(zhàn)中功不可沒(méi)。早在二次大戰(zhàn)的后期，在美軍登陸進(jìn)攻日本沖繩島的戰(zhàn)爭(zhēng)中，紅外夜視儀初露鋒芒，把鬼鬼祟祟偷襲的日本兵看得真真切切，打得落花流水。紅外夜視儀豈止只能在黑夜行事。半個(gè)世紀(jì)后的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍裝備的紅外夜視器材，可以透過(guò)彌漫的風(fēng)沙和硝煙，發(fā)現(xiàn)伊拉克軍的坦克，就是因?yàn)樘箍说募t外輻射吸引了探測(cè)器的“眼球”。
響尾蛇是一種毒蛇，因其尾部搖動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出尖銳的響聲而得名。它的眼睛和鼻子間有一個(gè)能感覺(jué)熱量的小頰窩，以幫助追蹤獵物。 其實(shí)，比真正響尾蛇有名氣的是“響尾蛇”紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。在英阿馬島之戰(zhàn)和海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，飛行員們都聞“蛇”喪膽。因?yàn)?，在這兩場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的空戰(zhàn)中，大部分飛機(jī)都是被“響尾蛇”導(dǎo)彈擊落的?！绊懳采摺睂?dǎo)彈屬于那種 “發(fā)射后不管”的導(dǎo)彈。自己帶有紅外探測(cè)器，可以接受到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射出來(lái)的紅外線，從而死死咬住飛機(jī)，最終將飛機(jī)擊落。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)達(dá)，探測(cè)器的目光越來(lái)越犀利。紅外偵察、搜索、制導(dǎo)使現(xiàn)代化的武器如虎添翼。
　  紅外在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不但用于進(jìn)攻，也用于防守。當(dāng)年，越南軍隊(duì)曾使用原蘇聯(lián)的“薩姆—7”紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，創(chuàng)紀(jì)錄地在一個(gè)月內(nèi)擊落了24架美軍戰(zhàn)機(jī)。但后來(lái)美軍使用了一種可以輻射出強(qiáng)烈紅外線的干擾誘餌彈。在作戰(zhàn)中，美軍把它們投放到被保護(hù)目標(biāo)的周圍，當(dāng)“薩姆—7”導(dǎo)彈再次撲向美軍戰(zhàn)機(jī)時(shí)，就像中了邪一樣，被那些誘餌吸引轉(zhuǎn)向了。 海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍共發(fā)射了紅外誘餌彈1．25萬(wàn)發(fā)，有效地誤導(dǎo)了伊軍的光電制導(dǎo)武器。利用紅外的探測(cè)、隱身、反隱身技術(shù)一直是高科技現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要特色。

五、飛入尋常百姓家
如果說(shuō)昔日主要用于軍事領(lǐng)域的紅外技術(shù)是“養(yǎng)在深閨人未識(shí)”的話，那么如今它早已飛入尋常百姓家了。紅外門鈴、防盜報(bào)警器、紅外照明燈靠接收人體的紅外線感應(yīng)動(dòng)作；賓館、重要場(chǎng)所的紅外火災(zāi)報(bào)警器靠感應(yīng)火苗的溫度而報(bào)警。紅外技術(shù)正走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)角落。
紅外遙控：吃完晚飯，一家人團(tuán)坐在一起，看起了電視。手指輕輕一按，瞬間頻道轉(zhuǎn)換。連呀呀學(xué)語(yǔ)的稚童都能感受到遙控的快樂(lè)。遙控可以選擇多種方法，可是為什么目前的家用電器都用紅外線呢？讓我們來(lái)看看其中的奧妙。我們手中的遙控器就是個(gè)紅外線的發(fā)射器，由紅外發(fā)光二極管可以發(fā)出近紅外波段的光。而電視機(jī)前端有一個(gè)光敏二極管作為紅外接收器。每一次按鈕，就發(fā)出一束不可見(jiàn)的紅外光。電視機(jī)根據(jù)接受到的紅外光改變頻道?？梢栽O(shè)想，如果發(fā)出光是可見(jiàn)的，那么就好像手電筒光在眼前亂晃，這可怎么得了。這樣，紅外光的不可見(jiàn)性正好為我們所用。此外，紅外波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于無(wú)線電波的波長(zhǎng)，紅外遙控就不會(huì)干擾其他家用電器的工作。再者，遙控器的近紅外光緊靠著可見(jiàn)光，光線的傳播特性與可見(jiàn)光類似，從而無(wú)需重新設(shè)計(jì)，就可利用現(xiàn)成的可見(jiàn)光光學(xué)裝置，完成近距離的傳播。當(dāng)然遙控器發(fā)出的紅外光不能穿透障礙也是紅外遙控的優(yōu)點(diǎn)。不然，你這里一按按鈕，隔壁房間的電視機(jī)如果也會(huì)響應(yīng)，就會(huì)亂套，這里不需要無(wú)心插柳。
紅外遙控的空調(diào)、音響、甚至窗簾等給人們帶來(lái)了極大的便利。可是目前的遙控器還只能“各司其職”，管空調(diào)的遙控器只能指揮空調(diào)，管音響設(shè)備的只能指揮音響。面對(duì)著茶幾上一大堆遙控器，人們不禁期盼什么時(shí)候只用一個(gè)遙控器，控制所有的家用電器就好了。科學(xué)家們?cè)缇兔噶死习傩盏男乃肌，F(xiàn)在，可以統(tǒng)一控制多個(gè)家電的全能遙控器已經(jīng)面世。其設(shè)計(jì)思路就是通過(guò)模擬各種遙控信號(hào)編碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)電器的遙控功能。通過(guò)相應(yīng)按鈕可以切換控制不同的家電。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)全能遙控功能，還需要讓它首先“學(xué)習(xí)”?！皢⒚衫蠋煛本褪羌矣秒娖鞯脑溥b控器。經(jīng)過(guò)各位“老師”的“調(diào)教”，全能遙控器就可以包羅囊括各位“老師”的功能，指向那就指揮控制那。
紅外攝影：紅外攝影具備一種超現(xiàn)實(shí)、如夢(mèng)如幻的效果，能給人以完全不同于普通攝影的強(qiáng)烈藝術(shù)震撼。例如，它能把夏天里的綠草如茵拍成冬季里的白雪皚皚。很早就有專業(yè)攝影師開始探索紅外線攝影的藝術(shù)表現(xiàn)。 除了藝術(shù)創(chuàng)作之外，紅外攝影還被用于某些特殊領(lǐng)域，比如在漆黑無(wú)光的環(huán)境下拍攝肉眼無(wú)法看見(jiàn)的景象，攝錄肉眼難以看清的犯罪痕跡，辨認(rèn)那些經(jīng)過(guò)涂改、偽造或燒壞的文件、鑒定真假文物等等。早在上世紀(jì)30年代，美國(guó)加州的亨廷頓圖書館就用紅外攝影方法，透過(guò)對(duì)紅外透明的涂改墨水，顯露出館藏文物被修改前的原貌。英國(guó)大不列顛博物館也曾用紅外攝影方法辨認(rèn)了遠(yuǎn)古時(shí)代的埃及經(jīng)文。紅外攝影可以辨別肉眼難以辨別的血跡、塵埃等，為公安人員的破案提供了確切的證據(jù)。隨著名畫價(jià)格的飆升，仿造名畫在國(guó)際上屢禁不絕。通過(guò)紅外攝影，可以和其他技術(shù)一起辨別名畫的真?zhèn)?。紅外攝影可以分析畫家的風(fēng)格，例如可以檢測(cè)出畫家在畫布上用碳筆打出的輪廓，以及畫家在構(gòu)思中所做過(guò)的修改。維萊斯奎茲是十七世紀(jì)西班牙國(guó)王菲臘四世的宮廷畫師。他的一幅畫作賣出了一百萬(wàn)美元的高價(jià)。用紅外攝影方法看出此畫的底部有用筆勾勒的痕跡，從而斷定此畫絕非真品，因?yàn)榫S萊斯奎茲作畫從來(lái)不打草稿。
紅外保暖：紅外和熱的直接聯(lián)系使我們對(duì)于紅外烘烤和紅外取暖不會(huì)感到陌生。但是，紅外內(nèi)衣的保暖卻是近年來(lái)的新寵。在都市人要風(fēng)度也要溫度的時(shí)尚追求牽引下，曾幾何時(shí)，市場(chǎng)上充斥著林林總總的保暖內(nèi)衣。一時(shí)間，關(guān)于內(nèi)衣的廣告鋪天蓋地。各路明星褪去了性感的、前衛(wèi)的時(shí)裝，居然穿著棉毛衫褲紛紛亮相，讓“地球人”目不暇接、眼花繚亂。商家們無(wú)非是想告訴大家，他們的產(chǎn)品具有發(fā)射紅外線的功能。看了本文的介紹，聰明的讀者可以知道，因?yàn)槠胀蘅椢锏陌l(fā)射率就已經(jīng)高達(dá)0.75，通過(guò)添加紅外發(fā)射率較高的物質(zhì)，又能使所謂的保暖內(nèi)衣的發(fā)射率提高多少呢？更何況，衣服的保暖和舒適其實(shí)與衣服的“熱阻”，一個(gè)衡量熱絕緣性能的物理量有關(guān)。所以，中國(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)在2001年公布了38種品牌保暖內(nèi)衣比較試驗(yàn)結(jié)果，以正視聽(tīng)。硝煙彌漫的保暖內(nèi)衣“價(jià)格戰(zhàn)”、“廣告戰(zhàn)”、“拆臺(tái)戰(zhàn)”慢慢地也偃旗息鼓了。同樣，了解了有關(guān)的紅外知識(shí)，對(duì)紅外取暖器的廣告也應(yīng)該理性地看待。
紅外醫(yī)學(xué) ： 非典時(shí)期，出行的人們必須接受紅外測(cè)溫儀的檢查。通常的溫度計(jì)是利用水銀熱脹冷縮特性來(lái)測(cè)溫的，而紅外測(cè)溫儀則依據(jù)了紅外線強(qiáng)弱和溫度有關(guān)的斯蒂芬－玻耳茲曼定律。紅外測(cè)溫儀的測(cè)量速度快，又是非接觸測(cè)量。但因?yàn)闇y(cè)量的是體表溫度，測(cè)量精度又容易受環(huán)境條件的影響，所以也只能供排查SARS病人作參考。但是，記錄被測(cè)對(duì)象溫度分布的紅外醫(yī)學(xué)影像技術(shù)卻被廣泛地運(yùn)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之中。醫(yī)用紅外熱像儀操作時(shí)不接觸人體，不發(fā)出輻射，對(duì)人體沒(méi)有任何損害或副作用，即使頻繁使用也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，這是X線、CT、B超等檢查設(shè)備所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以是當(dāng)之無(wú)愧的“綠色體檢之王”。許多疾病在發(fā)病早期，溫度的變化往往非常細(xì)微。捕捉“青萍之末”的微小溫差就是醫(yī)用紅外熱像儀的本領(lǐng)了。目前它的溫度分辨率可達(dá)0.01℃。所以，紅外在癌癥的早期診斷、血液系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、燒傷、斷肢再植、中醫(yī)研究等領(lǐng)域都有其獨(dú)到之處。據(jù)說(shuō)，醫(yī)用紅外熱像儀還是一種唯一可以覺(jué)察疼痛的影像學(xué)儀器。當(dāng)然，紅外熱像儀的非接觸測(cè)溫為工業(yè)過(guò)熱事故的診斷也起到了非常積極的作用。
紅外光學(xué)指紋：在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常使用一種被稱為紅外光譜的實(shí)驗(yàn)手段。前面提過(guò)，所有的物體都會(huì)發(fā)射紅外線，但每一個(gè)物體發(fā)出的紅外線特征都是不一樣的，好比每個(gè)人的指紋各不相同。材料發(fā)射的紅外線頻率、強(qiáng)度等特征就構(gòu)成了材料的紅外光學(xué)指紋?？茖W(xué)家們?nèi)辗e月累，把測(cè)量、收集到的各種材料的紅外光譜，即紅外光學(xué)指紋，編成圖譜，作為人們識(shí)別材料、乃至發(fā)現(xiàn)新材料的參考。至于天文學(xué)中用紅外光譜確定星球的組成，氣象學(xué)中用紅外光譜識(shí)別云層的分布等等其實(shí)都在利用物質(zhì)的紅外光學(xué)指紋。紅外光譜方法同樣得到寶石鑒定師的青睞。一塊人造寶石看起來(lái)與天然寶石的外觀、光澤、硬度相差無(wú)幾，但其價(jià)值顯然不能與天然寶石相提并論，如何識(shí)別它們呢？做一下紅外光譜實(shí)驗(yàn)，細(xì)微差別馬上顯現(xiàn)。中藥是中國(guó)的瑰寶，甚至可稱為中國(guó)古代第五大發(fā)明。中藥的療效和中藥的質(zhì)地、產(chǎn)地都有關(guān)系，似乎很玄。然而，大多數(shù)藥材的紅外光譜鑒別特征明顯，其穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較好，可作為藥材真?zhèn)渭爱a(chǎn)地的快速鑒別依據(jù)。由“中藥指紋圖譜分析”引發(fā)的一場(chǎng)中藥產(chǎn)業(yè)革命正悄然來(lái)臨。
“春陰垂野草青青，時(shí)有幽花一樹明”?？v觀天、地、人；歷數(shù)工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科學(xué)領(lǐng)域，我們都能發(fā)現(xiàn)紅外應(yīng)用美麗、動(dòng)人的身影。紅外的應(yīng)用無(wú)邊，紅外的魅力無(wú)限！