第1章　红外辐射的基本理论

1.1　红外辐射的基本概念

能量以电磁波或光子的形式发射传递的方式称为辐射。电磁辐射遵循横波传播定律，所谓横波就是振动方向垂直于传播方向的波动。图1-1为电磁辐射波谱及产生的机理。电磁波的波长范围很宽，短波有γ射线、X射线和紫外线，这主要是高能物理学家和核工程师所感兴趣的部分，它是靠放射性裂变与电子轰击产生的；而长波的微波与无线电波则为电气工程师所关心，是靠电子回路的放大振荡产生的。波长从0.76μm至100μm的电磁波谱称为红外线，是由固体中的分子振动或晶格振动或固体中束缚电子的迁移产生的。

图1-1　电磁辐射波谱及产生的机理

红外线是怎样发现的呢？1676年，牛顿用玻璃做的三棱镜发现了可见光谱有7色，即红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。1800年，Herschel（赫舍尔）想测量这7种光中到底有多少热量，在7种色带上分别放上1支水银温度计，同时将1支没有用的温度计放在靠近红区的外部，他偶然发现这支在暗处的温度计升温特别高，因它位于可见光红区的外部，因而得名红外线。

红外辐射的真实性质及其传递机理，人们至今还没有完全搞清楚。麦克斯韦根据电磁场结构理论提出了电磁波动说，认为辐射的能量是由电磁波传送的。20世纪初，以爱因斯坦和玻尔为代表，提出了光量子论，认为光对物质的主要影响是光电效应。光电效应定律为：

E=hν　　　（1-1）

式中，E为一个光子的能量，J；h为普朗克常数，h=6.624×10^-34J·s；ν为光子的频率，s^-1。

这一理论在光电子发射、光子探测器方面均得到了应用。热像仪中的光子探测器就是通过光电效应将光子转换为电信号，此电信号的数值单位称为热值（IU），而热值又与辐射温度相关，因而可用热像仪测试物体表面的温度场。因为无论用电磁波动说还是光量子论的任何一种，都未能全部解释清楚所有实验观察到的结果，但是辐射能的传递可以依靠电磁波或光子能量发射，这已被证实，因此，人们称辐射具有双重性，即电磁波与光子的特性。

所有的电磁波和光子发射都是以光速传播的。真空中的光速为C₀=2.9977×10¹⁰m/s，常被取作3×10¹⁰m/s。其他介质中的光速都比真空中的小，可用介质的折射系数n求出，即C=C₀/n，气体中的n≈1，因此，在气体中波速亦被取为3×10¹⁰m/s。不同的单色光必定具有不同的波长，波长比频率容易测准，所以测试物体的发射率或吸收率的红外光谱仪其横坐标均以波长（或波数）表示。但出现折射时，射线从一种介质进入另一介质，频率不变，而光速与波长将发生改变，因此，辐射具有典型的波性质。波长和频率之间的关系为：

C=λν　　　（1-2）

式中，C为光速，m/s；ν为频率，s^-1；λ为波长，m。

辐射亦称为光学辐射，因而有关光的投射、反射、折射的概念和规律，同样适用于热辐射。图1-2为投射到物体上的辐射能的分配。辐射热流Q_E投射到物体2上，一部分Q_A被吸收，使物体升温，一部分Q_R被反射，还有一部分Q_T被透射。这种吸收、反射、透射份额的大小由物质的性质所决定，称为该物体对外来辐射能流的吸收率A、反射率R和透过率T，即：

图1-2　投射到物体上的辐射能的分配

　　　（1-3）

根据能量守恒定律，则：

A+R+T=1　　　（1-4）

从物理意义上看，A、R、T每个量只能在0～1的范围内变化。被反射和透射的辐射能流除部分被空间介质沿途吸收外，又将落在周围其他物体上，依次被吸收。由此可见，自然界中每一个物体在不断地向空间发射辐射能的同时，又在不断地吸收来自周围其他物体的辐射能。辐射与吸收的综合结果即为辐射换热，这种相互作用的概念十分重要。

物体之间不发生相对位移，只依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。而冷、热流体相互掺混或流体内部因有温差产生流体的流动换热称为对流换热。可见，无论是导热还是对流换热均需有介质传递能量。而热辐射可以在真空中传递能量，且辐射能仅与温度的4次方成正比，而不是像导热与对流那样是与温度的1次方成正比，这也是辐射传热的另一特点。