电磁波谱与红外辐射以及红外辐射的基本理论

1、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22.1 红外线的发现22.2 电磁波谱22.3 红外光谱42.4 红外线的主要效应52.5 红外辐射的特点5第三章红外辐射理论73.1 普朗克（Planck）定律：73.

2、2 斯蒂芬-波尔茨曼（Stefan-Boltzmann定律（第二个定律）：93.3 维恩位移定律（Wiendisplacementformula）9第四章结论11参考文献13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

3、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”。60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

4、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一反射、折射、吸收和散射，热效应及光电效应。微型致冷器、窗口材料及逮光片等的研制红外系统所用的光学、电子学及精密机械实质上这些内容都是为了红外辐射的探测(2)红外元部件，如辐射源、探测器、.(3)把红外元部件组成具有特定功能的.(4)在军事上及国民经济建设中的应用: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，

5、(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,17381922）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

6、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3019

7、3nmWavfl-lwinitgriti-.睥encmT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、丫射线都是电磁波。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射线和丫射线的频率则更高，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

8、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7.8X10-7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76004000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（7.83.8）X10-7米,波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从（38010）X10-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的

9、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，具范围有一定的重叠；伦琴射线这部分电磁波谱，波长从（100.01）X10-9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

10、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，短波段已进入丫射线领域。放射性辐射丫射线的波长是认1左右直到无穷短的波长；丫射线（伽马射线）是波长从10-1010-14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。T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

11、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3X105兆赫）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。用波sw二二二二调幅AM长就101-10'图1-1按照各种电磁波产生的方式，可将其划分成三个组成部分：高频区（

12、高能辐射区）其中包括x射线，丫射线和宇宙射线。他们是利用带电粒子轰击某些物质而产生的。这些辐射的特点是他们的量子能量高，当他们与物质相互作用时，波动性弱而粒子性强。长波区（低能辐射区）其中包括长波、无线电波和微波等最低频率的辐射。它们由电子束管配合电容、电感的共振结构来产生和接收的，也就是能量在电容和电感之间振荡而形成。它们与物质间的相互作用更多地表现为波动性。中间区（中能辐射区）其中包括红外辐射、可见光和紫外辐射。这部分辐射产生于原子和分子的运动，在红外区辐射主要产生于分子的转动和振动；而在可见与紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁。这部分辐射统称为光辐射，这些辐射在与物质的相互作用中，

13、显示出波动和粒子双重性。不同的电磁波产生的机理和产生方式不同。无线电波是可以人工制造的，是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的。红外线、可见光、紫外线；伦琴射线；Y射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。在电磁波谱中各种电磁波由于频率或波长不同而表现出不同的特性，如波长较长的无线电波很容易表现出干涉、衍射等现象，但对波长越来越短的可见光、紫外线、伦琴射线、丫射线要观察到它们的干涉衍射现象就越来越困难。但是从电磁波谱中看到各种电磁波的范围已经衔接起来，并且发生了交错，因此它们本质上相同，服从共同的规律。电磁波是由光子组成的，宇宙深处的星体发射的电磁波含有大量光子，光子在传递过程

14、中由于分散，距离星体越远，单位时间内单位面积上获得的光子数越少，表现为电磁波的能量的衰减。而电磁波频率的改变量很小。自然界中各类辐射源的电磁波谱是相当丰富、相当宽阔的，与光电子成像技术直接有关的是其中的X线，紫外线，可见光线，红外线和微波等电磁波谱，它们的特征参量是波长入、频率f和光子能量E。三者的关系是f=c/入，E=hf=hc/入和E=1.24/入，式中，E和人的单位分别是eV（电子伏）和m,h为普朗克常数（6.6260755X10，S）;c为光速，其真空中的近似值等于3M0m/s,在工程实践中，根据不同的需要和习惯，采用不同的频谱参量计量单位。对x线，紫外线，可见光和红外线，常用pm、n

15、m表示波长；对无线电频谱，用Hz或m来分别表示其频率和波长；对高能粒子辐射，常用eV表示能量。由物理学可知，“辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到某种外界能量激发，可跃迁至高能级，当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐射的形式，向外传播能量。上述E=1.24/人，正好将辐射的波长入与其能量E联系起来。例如，E高-E低=1.24eV时，辐射的波长入=1nm。2.3 红外光谱一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停的辐射红外线。红外线无处不在。电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段成为大气窗口。通常把太阳光透过大气

16、层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。红外的大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的。根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分:名称英文缩写波长范围（微米）近红外/短波红外NIR/SWIR0.783中红外/中波红外MIR/MWIR36远红外/长波红外/热红外FIR/LWIR/TIR615极远红外XIR151000表2-1根据红外辐射产生的机理进彳T划分，分为近红外区：0.782.5微米，对应于原子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带；中红外区：2.525微米，对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁；远红外区：251000微米，对应分子转动能级之间的跃迁。2.4 红外线的主要效应红外线的热效应是共

17、振效应（极性是物体与红外线可以发生共振的一个因素）电磁波的热效应：物质内部有些分子是具有极性的，可以理解为一端带正电另一端带负电，按照正负相吸的原理，这样的分子会随外界电场取向。电磁波是交变的电磁场，会使极性分子反复改变方向，分子的运动就是“热”。即：一定波长的红外线光波穿透到被加热体内部后引起分子振动而产生热量。电磁波的频率越高，热效应越强。红外线的生物效应红外线对人体皮肤、皮下组织具有强烈的穿透力。外界红外线辐射人体产生的一次效应可以使皮肤和皮下组织的温度相应增高，促进血液的循环和新陈代谢，促进人的健康。红外线理疗对组织产生的热作用、消炎作用及促进再生作用已为临床所肯定，通常治疗均采用对病

18、变部位直接照射。近红外微量照射治疗对微循环的改善效果显著，尤以微血流状态改善明显。医疗保健：消炎、促进再生、免疫调节不利影响：波长0.81.2微米的短波红外，造成“红外线白内障”。红外线的光电效应：一定波长的光（可见光或不可见光）照射到某些金属等材料表面时，金属等材料会发射电子流，称为光电效应.举例：红外夜视仪（红外夜视仪将自然界物体辐射（或反射）出来的、人眼看不见的红外光，通过光电望远镜的物镜，投射到光电变换器的光电阴极上.根据光电效应，这时就有电子流从光电阴极跑出来，并以很快的速度射向带正电的荧光屏。在电子射向荧光屏的途中，科学家设计了一种电子透镜，它使电子按一定的路线射向荧光屏，同时把被

19、物镜翻转的倒立像再翻转为正像.为了更好地观察所得到的像，在荧光屏和眼睛之间装一目镜，这样通过光电望远镜就可以清楚地看出夜间的景物.2.5 红外辐射的特点电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振。人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探测到；红外辐射的热效应比可见光要强很多；红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长波红外辐射更容易通过。红外线波长较长，（无线电、微波、红外线、可见光。波长按由长到短顺序），给人的感觉是热的感觉，产生的效应是热效应，那么红外线在穿透的过程中穿透达到的范围是在一个什么样的层次？如果红外线能穿透到原子、分子内部，那么会引起原子、分子的膨大而导致

20、原子、分子的解体。真的是这样吗？而事实上呢？红外线频率较低，能量不够，远远达不到原子、分子解体的效果。因此，红外线只能穿透了原子分子的间隙中，而不能穿透到原子、分子的内部，由于红外线只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量，从宏观上看，物质在融化、在沸腾、在汽化，但物质的本质（原子、分子本身）并没有发生改变，这就是红外线的热效应。因此我们可以利用红外线的这种激发机制来烧烤食物，使有机高分子发生变性，但不能利用红外线产生光电效应，更不能使原子核内部发生改变。同样的道理，我们不能用无线电波来烧烤食物，无线电波的波长实在太长无法穿透到有机高分子间隙更不用说使其

21、变性达到食物烤熟的目的。通过上述我们知道：波长越短，频率越高、能量越大的波穿透达到的范围越大；波长越长，频率越低、能量越小的波穿透达到的范围越小。第三章红外辐射理论3.1普朗克（Planck）定律:普朗克假设在一个等温空腔内，电磁波的每一模式的能量是不连续的，只能取En=nhu（n=1,2,3,）中的任意一个值。而空腔内电磁波的模式与光子态相对应，即每一光子态的能量也不能取任意值，而只能取一系列不连续值。根据普朗克的这一假设，每个模式的平均能量为nh.”/KbTnh.exn-QE=e问。"n=0nzQQOx-_nx、en日(3-1)式中，T为空腔的绝对温度（K）,KB为玻尔兹曼常数，

22、其值为1.38X0-23（J/K）,oO、e皿=1/（1-e"）乂二田/（%丁）。因为n,所以上式可写为_QOX.nxE=h(1-e)nen=0h二e一1因为处于频率u到i+Au内的模式数8二2Vdgdv-3c则处于这个范围的总能量为一.3_8'：h=3C1eh-/KBT-1将上式除以V,可得单位体积和du范围内的能量为38二h1,duc3ehs-1d(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)式中为单位体积和单位频率间隔内的辐射能量，即为辐射场的光谱能量密度,其单位是J/（m3Hz）。也可根据0卢=8（心）以及九=c/u和d，"=-cd。/"2,由

23、上式求得单位体积和单位波长间隔的辐射能量为(3-7),_8-hc1''=5-'h：/（而）e-1这就是以波长为变量的普朗克公式。维恩公式和瑞利-金斯公式分别在黑体辐射的高频部分和低频部分成立，显然还需要一个更好的公式在整个频率范围内都成立。谐振子的平均能量的维恩表1900年普朗克从热力学c2V11；W达式为E（v,T）w=Gve丁,相应的温度一嬴由看。的角度发现，谐振子的平均能量维恩表达式对应的嫡对平均能量的一阶导数S=1=-,ln名，进一步得二阶导数登2=即d2S,而谐振:;wTc2Vgvf；wc2v；wd；1ko子平均能量的瑞利金斯表达式为w（v,T）rj=keT,

24、得到一=一亘，嫡对平均能量T；RJ的一阶导数.S1kB：；RJT:RJ：2Skr,嫡对平均能量的二阶导数922=-牛即二；RJ；RJdS1器-斗。既然黑体辐射的维恩公式和瑞利-金斯公式分别在高频和低频区间d；成立，普朗克想到用内插法把维恩公式和瑞利-金斯公式综合起来导出的公式可能在整个频谱范围都成立。于是普朗克把嫡S对平均能量的二阶导数写为如下形(3-8)d2S_二d=2；(；)dS1式中B拟合参数，上式积分并注意到一=一,得谐振子的平均能量d；T-P.一，一一名=一阮/，再由黑体特性式、平衡条件式和维恩定律式，考虑到腔内电磁波的振动模数，普朗克得到了一个完整描述黑体辐射谱的公式cdR0（%T

25、）=R0（v,T）=C11.（3-9）e1-1普朗克的黑体辐射公式包含了两个常量C1和C2,而不再使用参数,由内插维恩公式和瑞利一金斯公式得到的黑体辐射公式式能和当时最精确的黑体辐射实验结果相符合。*列|麟4"图3-1Planck定律的图示3.2 斯蒂芬-波尔茨曼:基尔霍夫一辐射定律指出，黑体辐射的总能量只是温度的函数。1879年，斯特藩对物质的辐射问题进行研究，由实验得出结论：黑体辐射的总能量与波长无关，仅与绝对温度的四次方成正比，1884年波尔兹曼把热力学和麦克斯威电磁理论综合起来，从理论上证明了斯特藩的结论是正确的，并指出这一定律只适用于绝对黑体，从而建立了斯特藩一波尔兹曼辐射

26、定律，即著名的全幅射能量的普遍方程式，简称四次方定律，其数学表达式为：M34(3-10)式中，M黑体的辐射功率密度(7斯特藩波尔兹曼常数T绝对温度由实验测得(r=(5.67032±0.00071)M0-12W/(cm2K4)。在实际应用中，常米用T4,、M=8°()3-11)100比为黑体的发射率，其值为4.89X.18J/(hm2K4)0从斯特藩一玻耳兹曼辐射定律可知，当黑体表面温度增高1倍，其辐射能量将增大24=16倍。例如，一个温度为50K的黑体，当把温度提高到200K时，其辐射能量将增加256倍。斯特藩一玻耳兹曼辐射定律意义深刻，用途广泛。3.3 维恩位移定律根据普

27、朗克辐射定律，可作出黑体在不同温度下的辐射能量与波长的关系曲线图，从图上明显地看出:(1)黑体在任何温度辐射时都只有一个辐射强度极大值和一个与之相对应的峰值波长；(2)当提高黑体辐射的温度时，其辐射能谱就向短波方向移动，反之亦然。但普朗克并未指出温度与峰值波长变化的定量关系。1893年，德国物理学家维恩(18641928)从理论上研究确定、并于次年发表了重要的辐射定律之一一一维恩位移定律，该定律的数学表达式为：XmT=a(Nm,K)(3-12)式中，入m峰值波长，Nm;T绝对温度，K;a一常数，其值为2897.8±0.4。上式表明，黑体辐射的峰值波长与其绝对温度成反比。将上式代入普朗

28、克辐射定律的数学表达式M?=cp/exp(c2)-1,(3-13)T得到黑体单色辐射功率密度的极大值此M卜=bT5W/(cm2Nm)式为维恩位移定律的另一形式。该式表明，黑体单色辐射功率密度的极大值与其绝对温度的五次方成正比。因此，当黑体的绝对温度升高一倍时，其单色辐射强度的极大值就增加25=32倍。式中，b=1.2862父10,5W/(cm2NmK5)(3-14)将用光子数表示的普朗克辐射定律的数学表达式Mq,=c',"expl_c2；)一1,(3-15)对波长入求微商，并令其等于零，则可证明，与黑体光谱辐射光子密度极大值相对应的峰值波长(入m应满足下列关系式%T=3669

29、.73(-K)(3-16)此式给出黑体光谱辐射光子密度的峰值波长随温度变化的定量关系，可以看作是反应黑体光子辐射特性的维恩位移定律。由此可知，单色辐射功率密度与光谱辐射光子密度有不同的与之相对应的峰值波长。将上式代入用光子数表示的普朗克辐射定律，可得到黑体光谱辐射光子密度的极大值，为乂4人=丁4光子/652串m)(3-17)此式为维恩位移定律的另一种形式。式中，b'=2.100741M107(s-lcm“Nm-lK")第四章结论19世纪上半叶人们在以太阳作光源研究红外传输时已发现大气层水蒸气的红外吸收现象。20世纪初，人们观察到分子及有机物的红外光谱，提出分子振动模式的概念。

30、第二次世界大战期间，随着光子探测器和变象管的应用，化学家开始藉助红外光谱识别分子及分子基团。而以半导体为代表的固体光谱学研究，则是上世纪50年代后才全面展开的。红外光谱主要是指红外波段的吸收谱，此外还有反射谱、透射谱和发光谱及由此延伸和变化的光谱。喇曼光谱因为常同红外谱并行使用，有时也被包括进去。红外光谱测试的主要仪器是红外光谱仪。以棱镜或光栅作色散元件的仪器虽历史较久且不断改进，但毕竟局限性较大，并因此曾使红外光谱在谱学中处于弱势。20世纪80年代发生了戏剧性变化，由于快速傅立叶变换算法（FFT）的发现和推广，加上电子计算机和激光技术的发展，使得傅立叶变换红外光谱测量基本实现了实时显示、记录

31、，它的一系列优越性终于凸现出来，商品化傅立叶光谱仪大量涌现，红外光谱进入前所未有的繁荣时代。现代的红外光谱学，不仅应用于物理学、化学、生物学、大文学等基础研究和农业、地学、材料、原子能、空间、气象、医药等应用学科的研究，而且作为一种分析测试和生产监测的有效手段，在煤炭、石油、化工、染织、环境及法庭刑侦等领域发挥着重要作用。傅里叶变换红外光谱仪的核心是麦克尔孙干涉仪。光源发出的红外辐射经分束片分作两束，被两面反射镜反射再经分束片形成干涉光投射到探测器。两反射镜一面不动，一面匀速扫描，因而干涉图不仅是红外频率的函数，还是光程差的函数。利用干涉图与光谱图之间的对应关系，作干涉图的傅里叶积分变换即可得到光谱图。整个过程包括频率调制和解调两部分，所以使用傅里叶变换光谱仪不能即时看到测量结果，因为它的分谱信号是经计算机一一提取的，只是随着计算方法的改进和高速电子计算机的发展，这一时间延迟才减至可以不计的程度。傅里叶光谱仪虽然仍使用传统的热型光源，但不象一般单色仪、光谱仪那样受镜子孔径或狭缝宽度的限制，而是同时接受所有光谱谱元的信号，所以采集光源能量的效率高，信噪比、分辨率相应提高。近几年，以傅里叶变换光谱仪为核心发展了多种测量技术，如显微光谱、拉曼光谱、光荧