關(guān)于波長的分類

常常有人認(rèn)為，紅外線可以穿透物質(zhì)做深層加熱，而且波長越短的紅外線穿透力越強(qiáng)，所以用短波紅外線可以做深層加熱......但事實(shí)是如此嗎？

另有人常常誤以為，紅外線加熱類似家里的微波爐加熱一樣.....這只說對了一半.，但微觀的技術(shù)原理卻不一樣

電磁波依頻率（或波長）的不同可區(qū)分為很多種，廣播、電視訊號（指傳統(tǒng)無線電視，非使用Cable的第四臺）、無線電、手機(jī)訊號、微波、紅外線、太陽光、紫外線、X光....都是電磁波，我們常常聽到廣播的頻道有分AM, FM..(譬如ICRT是FM 100 MHz)，電視或無線電訊號有分UHF, VHF, LHF，手機(jī)訊號系統(tǒng)有分900/1800 MHz....這些都是在指電磁波的頻率，頻率不同，波長就不同，應(yīng)用的范圍就會不同。

電磁波在行進(jìn)時(shí)是以類似下圖的方式在行進(jìn)。其中波長就是鄰近兩個(gè)波峰頂點(diǎn)之間的距離，頻率的意思就是每秒有幾個(gè)這樣的波，所以，電磁波的速度就是頻率   * 波長

而不管哪種電磁波，其速度就是光速

光速= 每秒30萬公里 = 300000 KM/sec = 頻率 * 波長

舉上面提到的ICRT的頻率是100 MHz為例，其電磁波的波長大概在3米左右，而可見光的波長，是在380~780奈米之間（奈米 = 1/100000000米）

不同的波長與頻率，對應(yīng)在各種物質(zhì)、環(huán)境的特質(zhì)上，其應(yīng)用就會不同...

譬如，在地球表面做長距離的訊號傳輸時(shí)，譬如長途無線通訊時(shí)，就會用到長波長的電磁波，因?yàn)殚L波長的電磁波在大氣環(huán)境中，其能量耗損較低。

考慮下圖中之三種頻率的比較，高頻訊號由于波長短，其波形在同等時(shí)間內(nèi)接觸到更多介質(zhì)（也就是大氣），所以光子碰撞大氣中的氣體粒子的機(jī)率高出很多，所以能量耗損大。但若是在真空環(huán)境下則沒有這個(gè)現(xiàn)象，想想在外太空距離地球數(shù)個(gè)光年的星體，其發(fā)射出的可見光在數(shù)年后還是可以抵達(dá)地球被觀測到就是一個(gè)佐證。 Friis transmission equation是在說明電磁波在大氣環(huán)境下的能量耗損現(xiàn)象，有興趣者可以自行Google

ICRT 100 MHz的電磁波其波長約3米，雖不算是低頻，但在1秒內(nèi)有10^8個(gè)波，可以覆蓋30萬公里，對于廣播通訊已經(jīng)足夠了。

現(xiàn)在來談?wù)勲姶挪ǎó?dāng)然包括紅外線）的滲透物質(zhì)的能力....

一般的觀念，能量越強(qiáng)，滲透能力越強(qiáng)，電磁波的頻率越大（波長越短），能量越大，因?yàn)楣庾幽芰?/span>= 普朗克常數(shù) * 頻率

但滲透物質(zhì)的能力并不只跟能量有關(guān)，還與物質(zhì)的特性、電磁波與物質(zhì)的交互反應(yīng)的模式有關(guān)。每種物質(zhì)都有一特殊的吸收光譜、反射光譜、穿透光譜，低頻率的電磁波（譬如無線電波、廣播電波、手機(jī)電波...）可以輕易穿透非導(dǎo)體物質(zhì)（不包括金屬），因?yàn)楣庾記]有足夠的能量與物質(zhì)做交互反應(yīng)，這里的交互反應(yīng)是指原子內(nèi)的價(jià)電子躍遷或分子鍵結(jié)的向應(yīng)。但高頻的電磁波能量較大，這些交互作用就變的可能了。

例如：大氣中的氧氣可以吸收大部分的60 GHz的微波，因?yàn)榉肿渔I結(jié)的向應(yīng)，這也是為何這個(gè)頻率的電磁波不適合用在長距離的通訊。

金屬又是另一種不同的現(xiàn)象

電磁波能否穿透金屬，主要由金屬的厚度與電磁波的頻率來決定

電磁波能進(jìn)入到金屬內(nèi)一定的距離，但衰減的也很快，如下圖所示

而電磁波的頻率才是主要因素。金屬的微觀組成跟其他材料不同，金屬并沒有分子組成，原子的自由電子不受原子核束縛，就好像眾多原子核浸在電子海中，這些電子海會有特定的震蕩頻率(波長)，這就是所謂的電漿頻率(plasma frequency)。這里的電漿頻率并不是指金屬像游離氣體一樣呈現(xiàn)電漿態(tài)，而是這些自由電子的集體震蕩行為跟游離氣體形成的電漿態(tài)的震蕩行為類似。

著名物理學(xué)家，理查費(fèi)曼(Richard Feynman)在費(fèi)曼物理學(xué)講義＜電磁與物質(zhì) II＞卷7曾說：「如果想要發(fā)射一道電磁波穿越這些電漿，只有電磁波頻率大于電漿頻率才有機(jī)會穿透，否則電磁波會被反彈回來。」

將電磁波打向金屬，如果電磁波頻率夠高(波長夠短)，就能穿透材料。以金屬銀為例，其電漿頻率約為 137nm (2180THz)，也就是說波長短于 137nm 的紫外光及 X 光對銀來說為「高頻」，可以直接穿透。波長短于137nm的可見光、紅外光及無線電波皆為「低頻」電磁波打在材料上大部分會反射。

大部分金屬的電漿頻率都在超高頻紫外光的區(qū)域，例如：鋁為82.78nm(3624THz)、銅為 114.5nm(2620THz)、金為 137.32nm(2185THx)。

現(xiàn)在來談?wù)勎镔|(zhì)到底是如何吸收紅外線的，為何只有紅外線有熱效應(yīng)，光子能量更大的可見光與紫外線為何不具熱效應(yīng)？微波的原理又是如何？同樣是加熱，為何原理與紅外線不同

首先必須有分子鍵結(jié)的概念，分子是由數(shù)個(gè)原子組合而成，靠著原子與原子間的鍵結(jié)組成分子，分子與分子間也靠鍵結(jié)作彼此的連結(jié)，微觀來看，由于具有內(nèi)能，這些鍵結(jié)都是在進(jìn)行震動的，震動方式有分成幾種：伸展(stretch)、彎曲(bend)

伸展又區(qū)分為對稱(symmetric)或不對稱(asymmetric)，請見以下動畫

紅外線并沒有足夠的能量能像紫外線一樣能把原子的電子激發(fā)而躍遷，紅外線的能量被物質(zhì)吸收后會造成的是分子內(nèi)的鍵偶極(兩原子間有電負(fù)度差)的變化。紅外線是一種電磁波，是由波動的電場與磁場組成（見本頁最下方之動畫），這一直在變動的電場與磁場的波動與分子內(nèi)的鍵偶極之波動會產(chǎn)生交互作用，當(dāng)電磁波的頻率與分子內(nèi)鍵結(jié)的震動頻率相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生建設(shè)性干涉，電磁波的能量就會被分子吸收，使的震動的震幅提升，這震幅的提升就造成分子內(nèi)能的增加，也就提升了溫度

接下來談?wù)勎⒉訜岬脑?/span>......

微波最大的應(yīng)用在家用的微波爐，微波能被食物中某些成分吸收-- 主要是水，原理是水分子是極性的，也就是說水分子內(nèi)的帶電狀況是不對稱的，分子的一邊是略帶正電，另一邊則略帶負(fù)電，因此在充滿電磁場微波的環(huán)境里，有作用力會作用在這分子的兩個(gè)極性上造成分子的轉(zhuǎn)動。下圖顯示了兩個(gè)水分子的極性分別被電磁波（微波）作用的示意。

由于電磁波造成的電磁場是持續(xù)在擺動的（請見本頁最下方的動畫），微波的頻率(2.45 GHz)是最適合的，因?yàn)榇祟l率震蕩的時(shí)間與水分子的180度旋轉(zhuǎn)的時(shí)間是相同的，因此水分子能夠達(dá)到最快的旋轉(zhuǎn)速度。

分子的轉(zhuǎn)動就會摩擦旁邊的其他分子（其他水分子或食物分子），此摩擦就會進(jìn)行動能的傳遞，造成能量的轉(zhuǎn)換，也就造成內(nèi)能的增加，溫度因此上升

因此，我們可以得到一些結(jié)論，或許可以解釋某些日常觀察到的現(xiàn)象：微波爐是針對食物中的水進(jìn)行能量傳遞，透過水分子的旋轉(zhuǎn)再把能量傳遞給食物，由于微波是電磁波，其頻率未達(dá)金屬的電漿頻率，所以無法穿透金屬，所以使用金屬器皿盛裝食物會遮蔽微波，而無法加熱食物，至于金屬器皿的安全問題，某些人對把金屬放在微波爐加熱相當(dāng)恐懼，其實(shí)這已經(jīng)過度了，金屬放在微波爐內(nèi)加熱的風(fēng)險(xiǎn)在于若金屬是有尖端鋒利的地方，這里可能會產(chǎn)生放電的效果，但在現(xiàn)今的微波爐的設(shè)計(jì)，這也不會造成損害。另外，相信有人曾經(jīng)把冰凍的食物放入微波爐內(nèi)加熱，但效果不是很好，這是因?yàn)樗肿邮窃诒鶅鰻顟B(tài)，無法有效轉(zhuǎn)動，所以上述動能傳遞的效果就沒有了，因此無法有效加熱。

或許有人會問，微波爐內(nèi)有轉(zhuǎn)盤的用意是什么，您應(yīng)該能猜出是為了加熱均勻，這完全正確，其原理是微波的頻率是2.45 GHz，波長就是12.2 cm，在微波爐內(nèi)微波是一直在內(nèi)部反射的，這波長與微波爐內(nèi)部的尺寸的設(shè)計(jì)很可能會讓微波與被爐壁反射回來的微波造成建設(shè)性或破壞性的干涉，若是建設(shè)性的則可能會加熱更快速，但若是破壞性的干涉，則可能就沒有加熱效果，因此，讓食物能夠旋轉(zhuǎn)，就能平均掉這個(gè)不均勻的現(xiàn)象。

其他：
電磁波的"電"與"磁"與行進(jìn)方向兩兩垂直