关于波长的分类

常常有人认为，红外线可以穿透物质做深层加热，而且波长越短的红外线穿透力越强，所以用短波红外线可以做深层加热......但事实是如此吗？

另有人常常误以为，红外线加热类似家里的微波炉加热一样.....这只说对了一半.，但微观的技术原理却不一样

电磁波依频率（或波长）的不同可区分为很多种，广播、电视讯号（指传统无线电视，非使用Cable的第四台）、无线电、手机讯号、微波、红外线、太阳光、紫外线、X光....都是电磁波，我们常常听到广播的频道有分AM, FM..(譬如ICRT是FM 100 MHz)，电视或无线电讯号有分UHF, VHF, LHF，手机讯号系统有分900/1800 MHz....这些都是在指电磁波的频率，频率不同，波长就不同，应用的范围就会不同。

电磁波在行进时是以类似下图的方式在行进。其中波长就是邻近两个波峰顶点之间的距离，频率的意思就是每秒有几个这样的波，所以，电磁波的速度就是频率   * 波长

而不管哪种电磁波，其速度就是光速

光速= 每秒30万公里 = 300000 KM/sec = 频率 * 波长

举上面提到的ICRT的频率是100 MHz为例，其电磁波的波长大概在3米左右，而可见光的波长，是在380~780奈米之间（奈米 = 1/100000000米）

不同的波长与频率，对应在各种物质、环境的特质上，其应用就会不同...

譬如，在地球表面做长距离的讯号传输时，譬如长途无线通讯时，就会用到长波长的电磁波，因为长波长的电磁波在大气环境中，其能量耗损较低。

考虑下图中之三种频率的比较，高频讯号由于波长短，其波形在同等时间内接触到更多介质（也就是大气），所以光子碰撞大气中的气体粒子的机率高出很多，所以能量耗损大。但若是在真空环境下则没有这个现象，想想在外太空距离地球数个光年的星体，其发射出的可见光在数年后还是可以抵达地球被观测到就是一个佐证。 Friis transmission equation是在说明电磁波在大气环境下的能量耗损现象，有兴趣者可以自行Google

ICRT 100 MHz的电磁波其波长约3米，虽不算是低频，但在1秒内有10^8个波，可以覆盖30万公里，对于广播通讯已经足够了。

现在来谈谈电磁波（当然包括红外线）的渗透物质的能力....

一般的观念，能量越强，渗透能力越强，电磁波的频率越大（波长越短），能量越大，因为光子能量= 普朗克常数 * 频率

但渗透物质的能力并不只跟能量有关，还与物质的特性、电磁波与物质的交互反应的模式有关。每种物质都有一特殊的吸收光谱、反射光谱、穿透光谱，低频率的电磁波（譬如无线电波、广播电波、手机电波...）可以轻易穿透非导体物质（不包括金属），因为光子没有足够的能量与物质做交互反应，这里的交互反应是指原子内的价电子跃迁或分子键结的向应。但高频的电磁波能量较大，这些交互作用就变的可能了。

例如：大气中的氧气可以吸收大部分的60 GHz的微波，因为分子键结的向应，这也是为何这个频率的电磁波不适合用在长距离的通讯。

金属又是另一种不同的现象

电磁波能否穿透金属，主要由金属的厚度与电磁波的频率来决定

电磁波能进入到金属内一定的距离，但衰减的也很快，如下图所示

而电磁波的频率才是主要因素。金属的微观组成跟其他材料不同，金属并没有分子组成，原子的自由电子不受原子核束缚，就好像众多原子核浸在电子海中，这些电子海会有特定的震荡频率(波长)，这就是所谓的电浆频率(plasma frequency)。这里的电浆频率并不是指金属像游离气体一样呈现电浆态，而是这些自由电子的集体震荡行为跟游离气体形成的电浆态的震荡行为类似。

著名物理学家，理查费曼(Richard Feynman)在费曼物理学讲义＜电磁与物质 II＞卷7曾说：「如果想要发射一道电磁波穿越这些电浆，只有电磁波频率大于电浆频率才有机会穿透，否则电磁波会被反弹回来。」

将电磁波打向金属，如果电磁波频率够高(波长够短)，就能穿透材料。以金属银为例，其电浆频率约为 137nm (2180THz)，也就是说波长短于 137nm 的紫外光及 X 光对银来说为「高频」，可以直接穿透。波长短于137nm的可见光、红外光及无线电波皆为「低频」电磁波打在材料上大部分会反射。

大部分金属的电浆频率都在超高频紫外光的区域，例如：铝为82.78nm(3624THz)、铜为 114.5nm(2620THz)、金为 137.32nm(2185THx)。

现在来谈谈物质到底是如何吸收红外线的，为何只有红外线有热效应，光子能量更大的可见光与紫外线为何不具热效应？微波的原理又是如何？同样是加热，为何原理与红外线不同

首先必须有分子键结的概念，分子是由数个原子组合而成，靠着原子与原子间的键结组成分子，分子与分子间也靠键结作彼此的连结，微观来看，由于具有内能，这些键结都是在进行震动的，震动方式有分成几种：伸展(stretch)、弯曲(bend)

伸展又区分为对称(symmetric)或不对称(asymmetric)，请见以下动画

红外线并没有足够的能量能像紫外线一样能把原子的电子激发而跃迁，红外线的能量被物质吸收后会造成的是分子内的键偶极(两原子间有电负度差)的变化。红外线是一种电磁波，是由波动的电场与磁场组成（见本页最下方之动画），这一直在变动的电场与磁场的波动与分子内的键偶极之波动会产生交互作用，当电磁波的频率与分子内键结的震动频率相当时，产生建设性干涉，电磁波的能量就会被分子吸收，使的震动的震幅提升，这震幅的提升就造成分子内能的增加，也就提升了温度

接下来谈谈微波加热的原理......

微波最大的应用在家用的微波炉，微波能被食物中某些成分吸收-- 主要是水，原理是水分子是极性的，也就是说水分子内的带电状况是不对称的，分子的一边是略带正电，另一边则略带负电，因此在充满电磁场微波的环境里，有作用力会作用在这分子的两个极性上造成分子的转动。下图显示了两个水分子的极性分别被电磁波（微波）作用的示意。

由于电磁波造成的电磁场是持续在摆动的（请见本页最下方的动画），微波的频率(2.45 GHz)是最适合的，因为此频率震荡的时间与水分子的180度旋转的时间是相同的，因此水分子能够达到最快的旋转速度。

分子的转动就会摩擦旁边的其他分子（其他水分子或食物分子），此摩擦就会进行动能的传递，造成能量的转换，也就造成内能的增加，温度因此上升

因此，我们可以得到一些结论，或许可以解释某些日常观察到的现象：微波炉是针对食物中的水进行能量传递，透过水分子的旋转再把能量传递给食物，由于微波是电磁波，其频率未达金属的电浆频率，所以无法穿透金属，所以使用金属器皿盛装食物会遮蔽微波，而无法加热食物，至于金属器皿的安全问题，某些人对把金属放在微波炉加热相当恐惧，其实这已经过度了，金属放在微波炉内加热的风险在于若金属是有尖端锋利的地方，这里可能会产生放电的效果，但在现今的微波炉的设计，这也不会造成损害。另外，相信有人曾经把冰冻的食物放入微波炉内加热，但效果不是很好，这是因为水分子是在冰冻状态，无法有效转动，所以上述动能传递的效果就没有了，因此无法有效加热。

或许有人会问，微波炉内有转盘的用意是什么，您应该能猜出是为了加热均匀，这完全正确，其原理是微波的频率是2.45 GHz，波长就是12.2 cm，在微波炉内微波是一直在内部反射的，这波长与微波炉内部的尺寸的设计很可能会让微波与被炉壁反射回来的微波造成建设性或破坏性的干涉，若是建设性的则可能会加热更快速，但若是破坏性的干涉，则可能就没有加热效果，因此，让食物能够旋转，就能平均掉这个不均匀的现象。

其他：
电磁波的"电"与"磁"与行进方向两两垂直