科學(xué)生活為何離不開奇妙的紅外線

華興恒

隨著人們生活水平的迅速提高，各種各樣的家用電器進(jìn)入了尋常百姓家。許多家用電器的使用也越來越簡(jiǎn)單，只要輕輕一點(diǎn)遙控器的按鍵，就可以隨心所欲地調(diào)控這些家用電器，這可少不了紅外線的功勞??！下面就向大家簡(jiǎn)單介紹有關(guān)紅外線的有趣問題。

紅外線是如何被發(fā)現(xiàn)的

發(fā)現(xiàn)紅外線是科學(xué)家赫舍爾的一個(gè)意外收獲。1800年，英國(guó)科學(xué)家赫舍爾做了一個(gè)太陽(yáng)光光譜實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量各種色光的溫度。他把溫度計(jì)放到紅光的外側(cè)時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇特的現(xiàn)象，只見溫度計(jì)的讀數(shù)不僅仍在繼續(xù)上升，而且比紅光區(qū)的溫度還要高。這是什么原因?qū)е碌哪?？才思敏銳的赫舍爾并沒有放過這一細(xì)節(jié)，他對(duì)此進(jìn)行了深入細(xì)致地研究，發(fā)現(xiàn)原來在紅光的外側(cè)還有一種看不見的神通廣大的紅外線。由于紅外線的波長(zhǎng)比紅光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，因此它具有顯著的熱效應(yīng)。

紅外線是一種肉眼看不見的電磁波，波長(zhǎng)在無線電波和可見光之間，為0.75 μm～1000 μm。電磁波按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列的順序是：長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線等。X射線的波長(zhǎng)一般不超過10nm。

后來，科學(xué)家通過深入研究發(fā)現(xiàn)，能夠產(chǎn)生紅外線的光源很多，自然界中的任何物體，只要處于絕對(duì)零度（- 273.15 ℃）以上時(shí)，都會(huì)源源不斷地向外輻射紅外線。因此紅外線與熱的關(guān)系是極為密切的。紅外線實(shí)際上是由熱輻射產(chǎn)生的，比如太陽(yáng)既可以源源不斷地輻射出可見光，也可以不停地向外輻射出紅外線和紫外線，其中紅外線部分占了太陽(yáng)總輻射量的一半左右。

一般來說，物體的溫度與輻射的紅外線密切相關(guān)，物體溫度越高，輻射紅外線的波長(zhǎng)越短，紅外線的輻射強(qiáng)度也就越大?？紤]到紅外線與熱之間極為密切的關(guān)系，因此有人把紅外線叫作“熱線”。在工業(yè)上，對(duì)“高溫”物體進(jìn)行測(cè)溫，科學(xué)家們?cè)缇褪褂谩凹t外線測(cè)溫儀”進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量了。

紅外線成像是怎么回事

紅外線可以用于攝像技術(shù)，由于紅外線的波長(zhǎng)比可見光要長(zhǎng)，它不易被大氣中的微粒所散射，因此穿透能力比較強(qiáng)，可以較為清晰地拍攝出被濃霧或煙塵籠罩的景物。

利用紅外線掃描技術(shù)，可以隨時(shí)觀察到動(dòng)態(tài)的物體的儀器，一般叫作熱像儀。它與一般電視攝像機(jī)差不多，由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、電子信息系統(tǒng)和顯示器等組成。目標(biāo)物體發(fā)出的紅外線由探測(cè)器（一種高靈敏度的傳感器）轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后，經(jīng)過放大處理，最后在顯示器上以可見光的形式顯示出來。熱像儀在屏幕上顯示的“熱圖”，既可以放大，也可以縮小，還可以保存，因此顯得尤為方便。

紅外線熱成像技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)，其發(fā)展速度驚人，現(xiàn)在正沿著兩個(gè)方向快速發(fā)展，一個(gè)是高精度，另一個(gè)是高速度。目前，高精度熱像儀可以分辨零點(diǎn)幾攝氏度甚至是零點(diǎn)零幾攝氏度的溫度變化;而高速度熱像儀則可以每秒鐘成像幾十幅，多用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)顯示。

紅外遙感有什么用作

在高空設(shè)備中可以配備各種遙感儀器，用來感知遙遠(yuǎn)的事物。利用可見光進(jìn)行高空攝影，這就是可見光遙感;雷達(dá)是靠微波探測(cè)目標(biāo)的，這可以看作是微波遙感;雖然我們的肉眼看不見紅外線，但可用專門的儀器進(jìn)行遙感，這就是紅外遙感。由于紅外線占有很寬的頻帶，約為可見光的1000多倍，所以它包含著極為豐富的來自目標(biāo)的信息，而且紅外遙感可以晝夜運(yùn)行，即使在黑暗中也能大顯身手，因此紅外遙感在遙感技術(shù)中占有非常重要的地位。

紅外遙感的分辨能力非常驚人，在高度為幾百千米的人造衛(wèi)星上，可以發(fā)現(xiàn)地面上一個(gè)點(diǎn)燃的煙頭。通過這種“紅外眼睛”的監(jiān)視，在樹枝和綠色篷布掩蓋下的飛機(jī)、坦克會(huì)“原形畢露”。紅外遙感還可以透過積雪“看”到躲在雪底下的敵人，就連深藏在水下的潛艇也難以遁形;它甚至可以辨認(rèn)出地面上哪些是新培的浮土和新栽的花草，從而發(fā)現(xiàn)對(duì)方掩藏在地下的設(shè)施。

1971年，美國(guó)就是利用這種紅外遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)了蘇聯(lián)新建的60個(gè)洲際導(dǎo)彈發(fā)射井。在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美歐聯(lián)軍更是利用紅外遙感技術(shù)偵察敵方設(shè)施，就連深藏在地下30米的軍事目標(biāo)也能夠“一目了然”。

夜視儀為何能夠夜視

神奇的“夜視儀”可以在黑暗中將周圍的一切“看”得清清楚楚，夜視儀主要有下面兩種：微光夜視儀和紅外夜視儀。

夜晚只要有點(diǎn)點(diǎn)星光，微光夜視儀就可以大顯身手，儀器中的像增強(qiáng)管能夠把從景物發(fā)射回來的微弱光線增強(qiáng)，放大能力可達(dá)100萬倍以上，完全可以將微光環(huán)境中的景物看得一清二楚。

紅外夜視儀則可以在絕對(duì)黑暗的環(huán)境中使用，由于任何物體都在源源不斷地輻射紅外線，紅外夜視儀可以接收這些紅外線，通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)再加以放大，最后把物體顯現(xiàn)出來。這就是前面說的熱像儀原理，這是一種被動(dòng)型紅外夜視儀。

還有一種主動(dòng)型紅外夜視儀，它能夠不斷發(fā)射出紅外線，再接收從物體上反射回來的紅外線信號(hào)，進(jìn)行放大處理，用來區(qū)分物體的背景。這樣不但可以看清物體的大小形狀，還可以根據(jù)多普勒效應(yīng)知道物體的運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)速度的快慢。

紅外夜視儀在濃霧中也照“看”不誤，因?yàn)榧t外線有較強(qiáng)的穿透能力，能傳播很遠(yuǎn)的距離。它在軍事偵察、公安消防和環(huán)境保護(hù)等方面有特殊作用。

熱成像技術(shù)可用于診斷疾病

任何物體都可以輻射紅外線，人體的溫度一般保持在37℃左右，所以人體也是一個(gè)天然的生物紅外線輻射源，人體能量的45%是以紅外線輻射的形式散發(fā)到周圍空間之中的。當(dāng)人生了病或某些生理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，人體的熱平衡就遭到了破壞，某些局部的溫度就會(huì)因此發(fā)生變化，這就給紅外線診斷疾病提供了很好的線索。

由于紅外線熱成像技術(shù)可以顯示人體的整個(gè)溫度分布圖，還可以得到每一時(shí)刻體溫變化的動(dòng)態(tài)全貌，并且能夠拍照和保存，醫(yī)生可以分析病人的全身熱圖像，找到溫度異常區(qū)進(jìn)行比較，并根據(jù)溫區(qū)變化的規(guī)律診斷疾病。例如，人類的大敵癌癥診斷非常困難，而早期發(fā)現(xiàn)極其重要。利用紅外線熱成像技術(shù)可以對(duì)一些癌癥作出早期診斷，如乳腺癌、甲狀腺癌、皮膚癌等。研究表明，有癌變的部位通常要比正常部位的溫度高，往往要高1℃～3℃。而這種溫度的差異，在熱成像儀上可以一目了然。另外，對(duì)于一些血管病變，如血栓形成閉塞性動(dòng)脈硬化、嚴(yán)重血管狹窄等，也可在紅外線熱成像技術(shù)的幫助下作出明確診斷。

紅外線在日常生活中的應(yīng)用

只要大家認(rèn)真觀察一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，各種紅外線技術(shù)已經(jīng)源源不斷地進(jìn)入我們的生活之中，在許多場(chǎng)合發(fā)揮著重要的作用。

當(dāng)你走近機(jī)場(chǎng)、賓館、商場(chǎng)的自動(dòng)門前，大門會(huì)自動(dòng)緩緩打開，等你進(jìn)入之后大門又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。自動(dòng)門是怎么“看見”你的呢？原來在自動(dòng)門的上方有一個(gè)紅外線光源。當(dāng)人們走近大門口時(shí)，就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)，于是門便自動(dòng)打開了。當(dāng)人們進(jìn)入大門以后，光電管又可以接收到紅外線，恢復(fù)原來的狀態(tài)，因此門又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。因此有人把這種光電管形象地叫作“電眼”， “電眼”可以在許多自動(dòng)控制設(shè)備中大顯身手。

人們家里的許多電子設(shè)備，如彩色電視機(jī)、空調(diào)、電冰箱、電風(fēng)扇和高級(jí)音響等，都使用了各種遙控器，而用得最多的是紅外線遙控器，它是利用小巧的電子調(diào)制器、紅外線發(fā)射管和電池組成的一種裝置。紅外線發(fā)射管可以發(fā)射出一定波長(zhǎng)的紅外線光束，而調(diào)制器能把控制開關(guān)的低頻信號(hào)加載到紅外線上，在一定距離內(nèi)（一般是10米）可以被電器中紅外線遙控接收器感知。紅外線遙控接收器主要由接收管、抗干擾電路、解調(diào)器、開關(guān)控制器等組成，根據(jù)紅外線加載的信號(hào)控制不同的頻道，因此，我們可以非常方便地轉(zhuǎn)換電視頻道或空調(diào)的溫度。

在新冠肺炎疫情肆虐期間，紅外線測(cè)溫技術(shù)為降低病毒在密集人群中擴(kuò)散和傳播作出了巨大貢獻(xiàn)。紅外線快速溫度檢測(cè)儀不用接觸人體，只是通過接收和檢測(cè)人體紅外線輻射，就能夠在短短的1秒鐘內(nèi)顯示出人體的溫度，細(xì)微的溫度變化都逃不過它的“火眼金睛”。