宜蘭縣教育支援平台 會員登入 會員註冊 我的i教書

« 上一篇 | 下一篇 »

顧名思義,「紅外線」就是在光譜上位於紅光外面的光線,而「紫外線」當然就是在光譜上位於紫光外面的光線了。人類眼睛可以看得到的可見光,分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等「七彩」色光,這樣的順序代表的是這些色光的頻率。
作者林志隆國立自然科學博物館
顧名思義,「紅外線」就是在光譜上位於紅光外面的光線,而「紫外線」當然就是在光譜上位於紫光外面的光線了。人類眼睛可以看得到的可見光,分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等「七彩」色光,這樣的順序代表的是這些色光的頻率。

可見光是電磁波頻譜中的一小部分,紅光的波長比較長,大約是 7,000 埃(1 埃 = 10−10 米),而紫光比較短,大約是 4,000 埃。如果套用現在流行的「奈米」(nanometer, 1 nm = 10−9 m)為單位,紅光波長大約是 700 奈米,紫光波長大約是 400 奈米。一般人的眼睛只能接收 400 ~ 700 奈米這一段的電磁波,比 700 奈米長或比 400 奈米短的電磁波肉眼就感應不到了。

人類對於看得到的東西當然研究得特別仔細,而看不見的東西不免就馬虎一點。因此 400 ~ 700 奈米的可見光還被仔細地分成七彩色光,而 700 奈米到 1 毫米(106 奈米)這一段將近可見光波段 3 千倍的範圍,則被含糊地通稱為「紅外線」,頂多再概略分成「近紅外線」(700 奈米 ~ 4,000 奈米或 4 微米)、「中紅外線」(4 ~ 40 微米)、以及「遠紅外線」(40 微米 ~ 1,000 微米或 1 毫米)。甚至不同學者對於「遠」、「中」、「近」範圍的定義都會有所不同。

由於這些是人類肉眼無法直接感受到的波段,所以以往進行研究比較困難。其實紅外線廣泛地出現在我們的日常生活中,只是常常因為看不到而忽略了它。底下就舉幾個常見的應用做為例子。

生活中最常用到紅外線的地方,大概就是「遙控器」了。現在只要是具有遙控功能的家用電器,幾乎都是利用紅外線進行遙控。隨著科學越來越進步,而人類越來越懶惰,紅外線遙控在家庭中的應用也越來越廣。現代家庭中光是客廳起碼都有三、五支遙控器,像電視、冷氣、音響、DVD 放映機,甚至電扇和電腦的無線滑鼠都使用紅外線進行遙控。

大家如果拿起遙控器看看前端的部分,就會看到一個像小燈泡的紅外線發光二極體。當按下其中一個按鍵時,我們並沒有看到任何光線,可是電視或冷氣等家電卻開始有了反應,這時就是紅外線在發揮作用了。一般家電遙控器所用的紅外線都是在「近紅外線」波段,波長大多在 1,000 奈米(1 微米)以內。

紅外線是一種不可見光,那我們有沒有辦法看到它呢?用眼睛直接看當然是沒辦法,但可以藉由「電荷耦合二極體」(charge coupled device, CCD)把紅外線轉換成可見光。CCD 就是在數位相機和攝影機裡面,用來擷取影像並轉換成為電磁訊號的那一塊晶片。除了數位相機和攝影機之外,電視新聞經常提到、街頭巷尾到處都有的監視器,也是利用 CCD 的一個例子。

許多 CCD 不只可以接收可見光,甚至還可以接收近紅外線及近紫外線波段的影像。但是在數位相機或攝影機上如果多出了這些影像,那色彩就失真了,所以一般的攝影機或數位相機必須多加一些濾鏡把這些光線濾掉。如果把這些濾鏡拿掉,就可以拍攝到近紅外線的影像。有些用在保全上的 CCD 監視器,可以拍到近紅外線影像,因此能夠在入侵者自以為月黑風高神不知鬼不覺的情況下,把影像拍下來做為破案的線索。

遙控器或一般紅外線 CCD 感應的近紅外線波長,大多在 1,000 奈米以下。以波長 1,000 奈米為例,依據黑體輻射的估算,對應的溫度範圍在絕對溫度 2,900K 左右,大約是一般鎢絲燈泡的溫度。而一般人體的攝氏 37 度相當於 310K,發出的熱輻射波長主要落在 9,350 奈米附近,屬於中紅外線的範圍。前幾年 SARS 傳染期間非常熱門的耳溫槍或紅外線熱影像體溫計,就是掃描這個波段的紅外線來判定人體的溫度。

除了遙控家電、拍攝影像和量體溫之外,在生活上另外一個經常會用到紅外線的地方,就是幫我們看門的電動門。大家應該都有到便利超商買東西的經驗,當我們走到超商門口時,店家的玻璃門就會自動打開,並且發出「歡迎光臨」的聲音。電動門為什麼知道有人走到門口了呢?這就是紅外線感應器發揮了功用。

常見的紅外線感應方式可以分成「主動式」(遮斷式)與「被動式」兩種。所謂主動式感應器,是由一組發射器與接收器所組成,一般用在警告不速之客的場合比較多。這種感應器的發射器必須對著接收器發射紅外線光束,所以比較屬於「點對點」的感應方式。

當有物體經過其間而遮斷了光束時,接收器會因為收不到光束而發出警報聲或「歡迎光臨」的聲音。在許多冒險諜報影片中,劇中人物必須極盡所能地扭曲自己的身體穿過高科技的警報系統,那所謂高科技的警報系統,說穿了就是一套主動式的紅外線感應器而已。

那真的可以像影片中一樣,戴上一個特殊眼鏡就可以看到一條條的紅外線嗎?各位如果讀過前面的部分,就會發現電影中說得很玄的東西,說穿了根本不值什麼錢。由於這種感應器大多是使用近紅外波段,所以只要有一個好一點的紅外線 CCD 再加上一點點煙,就可以拍到這些光束,接著只要把影像接到螢幕(影片中大多是眼鏡大小的小型液晶螢幕)放映出來,這些紅外線就無所遁形了。

至於被動式的感應器,大多用於商店門口迎賓及送客之用。這種感應器不需要裝一個紅外線發射器,因為人體自己就是一個紅外線發射器。這種感應器使用的是接近人體溫度的中紅外線波段。

由於一般外界環境的溫度比人體低一點,所以平常不會有感應,但是當有人走進感應範圍時,感應器會感應到一個比較熱的發射源,這時就會跟你說「歡迎光臨」了。這種感應器不適合用在戶外,因為戶外溫度變化太大,甚至有時室外溫度會比人體還要高,那這種感應器就無法作用了。

在軍事用途上,紅外線常常因為肉眼不可見的特性,而被用於夜間突襲和偵搜。像美伊戰爭時,伊拉克地面部隊從頭到尾被美軍壓著打,很重要的一個原因就是美軍部隊的夜戰設備太多太好了,連美國隨軍記者的攝影機都有紅外線和星光夜視能力。在許多新聞影片中,伊拉克民兵還在街角探頭探腦時,美軍記者已經取好鏡頭調好焦距,等著一旁的美軍開火。敵暗我明之下,伊拉克民兵當然只有挨打的份了。

在我們的生活中其實充滿了紅外線,因為物體只要有熱就會發出熱輻射,這些熱輻射的波長會隨著溫度而略有差異。人類生存的地球環境溫度(−50℃ ~ +50℃)所發出的熱輻射,都屬於中紅外線的範圍,因此我們周遭的每件東西都在發出紅外線。而近年來非常熱門的「溫室效應」,就和地球環境中的紅外線有密切的關係。

所謂的「溫室」,最早是中高緯度國家為了種植怕冷的熱帶植物,而興建的讓陽光進得來出不去的玻璃房,一般來說即使不加熱也可以比戶外高個十來度。像臺灣這種最冷也不過到零度,可是熱起來可以到 40 度的地方,散熱降溫都還來不及,如果溫室內再比戶外溫度高個十幾度,不管是動物或植物都會受不了。

為什麼玻璃房可以當溫室呢?關鍵就在玻璃材質對於不同波長光線的透射率不同。我們對玻璃的印象是「透明」的,但其實玻璃的透明只限於可見光及鄰近的近紅外線、近紫外線。對於接近室溫的中紅外線,玻璃呈現出的性質完全不同。

由於陽光最主要的能量波段是在可見光範圍,這些光線可以長驅直入穿透玻璃進入溫室之內。當可見光被地面或植物吸收之後,室內溫度會略微上升幾度,這時地面發出的熱輻射是屬於中紅外線波段,由於被紅外線玻璃擋住了出不去,於是能量就被關在溫室內而使得溫度上升,這就是所謂的「溫室效應」。

地球的溫室效應主要來自二氧化碳等溫室氣體,它們和玻璃一樣有透過可見光而攔截中紅外線的性質,因此二氧化碳多的時候,行星會留住較多的能量而使溫度上升,金星便是一個溫室效應過度而造成惡性循環的例子。可是二氧化碳太少也不行,因為那樣又會留不住能量而使得溫度太低,火星便是另外一個極端的例子。

以往大氣中的二氧化碳濃度變化很慢,可是自從工業化之後,人類大量地燃燒煤炭、石油以取得能量,結果造成了二氧化碳快速增加。

有些科學家就擔心,二氧化碳增加會造成大氣攔截紅外線的能力上升,接著地球的溫度會升高,於是兩極冰山會融解,並且使海水蒸發增加,而水氣也是一種具有溫室效應的氣體,於是大氣攔截紅外線的能力就更加增強了。如果溫室氣體過多,地球溫度就可能步入一個「越熱越蒸發,越蒸發越吸熱」的惡性循環,最後可能會像金星一樣,整個海洋都蒸發掉。

為了避免人類走上這一條絕路,1997 年聯合國召集各國代表於日本京都簽訂所謂的「京都議定書」,目的就是管制並減少各國的二氧化碳排放量。雖然許多國家陸續正式簽署了這項議定書,可是 2001 年全球二氧化碳排放的最大戶(約占全球的三分之一)美國宣布退出協議,使得這項努力可能因此而功敗垂成。

溫室效應和全球氣候變遷聽起來似乎離我們遠了一點,其實溫室效應幾乎每天都在我們身邊發生,而且是很激烈地發生。在哪裡呢?就在我們的汽車裡。在台灣,夏天溫度最高可以達到 40 度,但如果把汽車停在中午的太陽底下曬個一、兩個小時,車內的溫度就可以高達七、八十度,裡外溫度相差將近 40 度,這就是溫室效應的最好實例。

紅外線無時無刻不存在於我們的生活中,我們隨時都在享受著紅外線研究帶來的便利與舒適。在享受紅外線帶來的便利時,如果多了解一點紅外線的本質與應用,將使人類的生活更舒適,也可以讓人類避免踏上錯誤的死路。
資料來源:《科學發展》2006年4月,400期,68 ~ 73頁



 
 
用LINE傳送