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动图演示普朗克热辐射定律:不同黑体温度下的颜色变化

  • 上海依阳实业
    2022/01/26
  • 私聊

物性测试综合讨论

  • 摘要:用动图方式演示了不同黑体温度下的颜色变化

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    众所周知,普朗克辐射定律描述了任意温度下,从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率与波长之间的关系。用图形表示,如图1所示。


    图1 黑体辐射强度的光谱分布(普朗克光谱)



    按照维恩定律,随着黑体温度的升高,最大光谱强度会向更短的波长移动。在相对较低的温度下,最大值位于红外区间内,并且我们的眼睛看不到辐射。但随着黑体温度升高,辐射光谱转移到可见光范围内,此可见发射的辐射,表现为黑体开始发光。用一个立方体代表黑体,本文底部的动图显示出黑体辐射随温度变化的整个过程。

    对上述动图进行细化,在大约1000K时立方体发出略带红色的辉光,如图2所示。


    图2 黑体在1000K时发出的红光



    在2000K时,光谱中黄色波长范围的比例有所增加,此时黑体往往散发出淡黄色光。


    图3 黑体在2000K时发出的黄光

    在超过3000K的高温下,会发出更多的紫外线辐射(UV辐射),如图4所示。


    图4 黑体在3000K时发出的淡黄色光

    在大约6000K的更高温度下,如图1所示,几乎所有具有相同强度的可见波长都存在于辐射光谱中,因此这时的辐射物体呈白色,如图5所示。这解释了白色太阳辐射,因为太阳作为一个几乎完美的黑体,其表面温度为5778K!同时太阳辐射的紫外线达到了不可忽视的程度,但幸运的是,这种紫外线辐射的很大一部分被地球大气层吸收,而高原地区气体变得稀薄,紫外线辐照就强。

    图5 黑体在 6000 K 时发出的白光

    比太阳温度还要高很多的物体是所谓的蓝巨星。其中一些天文物体的质量是太阳的50倍,表面温度可以达到几万度。在这些温度下,蓝色波长范围比红色部分更多地存在于辐射光谱中。因此,这种蓝巨星的光显得偏蓝,如图6所示,这就是这种恒星被称为蓝巨星的原因。

    图6 黑体在10000K时发出的蓝光

    需要说明的是,上述黑体发光颜色与温度的关系,是真正的黑体发光颜色描述,与我们现实中眼睛看到的有一定差别,肉眼观察到的颜色往往会夸大实际颜色和温度。这是由于在整个可见光范围内物体发射的光谱强度都比较高,造成我们眼睛中负责感知颜色的视锥细胞被“过度曝光”。在这种情况下,所有视锥细胞几乎都被相同地激发,如物体在2000K时的实际黄色辐射在我们的眼睛中通常呈现为白色,实际温度如果高于2000K,肉眼基本已经开始无法直视。

    本文编译自tec-science网站

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