Меню

Каким цветом мы видим абсолютно черное тело



Абсолютно черное тело. Его эталон и спектр излучения. Цветовая температура. Единица измерения цветовой температуры.

Абсолютно черное тело. Его эталон и спектр излучения. Цветовая температура. Единица измерения цветовой температуры.

Абсолютно чёрное тело —тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Наиболее чёрные реальные вещества поглощают до 99 % падающего излучения в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце.

Цветова́я температу́ра — характеристика хода интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Согласно формуле Планка, цветовая температура определяется как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Характеризует относительный вклад излучения данного цвета в излучение источника, видимый цвет источника. Применяется в колориметрии, астрофизике. Измеряется в кельвинах и миредах.

Цветовая температура источника света:

  • характеризует спектральный состав излучения источника света;
  • является основой объективности впечатления от цвета отражающих объектов и источников света,

и потому определяет ощущаемый глазом цвет предметов при наблюдении в данном свете (см. психология восприятия цвета).

В связи с тем, что цвет и окраска объекта зависит и от его собственных спектральных свойств, и от характера освещения, в технике стандартизуют наиболее распространённые источники света прежде всего по цветовой температуре.

Стандартные источники

При измерениях цвета, при необходимости точной оценки цвета, при воспроизведении того или иного цвета используют стандартные источники излучения. Наиболее часто используют источники со следующими стандартными цветовыми температурами:

  • 2856 К — Стандартное излучение (источник) А
  • 4870 К — Стандартное излучение (источник) В
  • 5000 К — Стандартный источник белого света D50
  • 6500 К — Стандартный источник дневного белого света D65, (близок к полуденному солнечному свету)
  • 6770 К — Стандартное излучение (источник) С

Важность понятия цветовой температуры в фотографии. Излучение серого цвета. Реальные источники излучения, имеющие распределение спектральной энергии, тождественное излучению абсолютно черного тела. Источники излучения, к которым понятие цветовой температуры не применимо. (лазер, газоразрядные трубки, светодиоды, светящиеся газы и пары, люминесцентные (по ощущениям)).

В физике понятие цветовая температура используется для определения температуры серых и черных тел по длине волны, энергия которой в спектре максимальна. Формула выглядит следующим образом: Цветовая температура = 0,0029/Длина волны, при которой мощность излучения максимальна. Понятие «цветовая температура» в физике относится к тепловым источникам света и указывает, как распределится энергия по разным длинам волн в спектре источника света. Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры. Понятие «цветовая температура» в физике относится к тепловым источникам света и указывает, как распределится энергия по разным длинам волн в спектре источника света. Понятие «цветовой температуры» для монитора и других нетепловых источников света (люминесцентных ламп, отражающих поверхностей и пр.) можно определить следующим образом: цветовая температура источника света – это такая температура, при которой черное тело имело бы такой же спектр излучения, как и данный (нетепловой) источник света. Например, если на вашем мониторе установлена цветовая температура 6500 К, то при воспроизведении белого цвета он будет максимально приближен к спектру излучения черного тела, нагретого до этой температуры, – например Солнца. Разумеется, это не означает, что ваш монитор будет нагреваться до такой температуры; это означает только, что распределение энергии в видимом спектре излучения монитора будет соответствовать распределению энергии в видимом спектре Солнца. Таким образом, нетепловые источники света метамерны идеальному черному телу.

Читайте также:  Александрит какого цвета при дневном освещении

Излучение серого тела тождественно излучению черного тела имеет тот же спектр излучения, что и черное тело. Для сенсиметрических испытаний делают плоские пластины для удобного замера. Тело накаливания по параметрам близко к параметрам черного тела (все виды излучения). Серое тело – например, лампа накаливания, все виды излучения.

Фотоприемники

Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Фотоэффект внешний и внутренний.

Фотоэффект — любой процесс регистрации света.

Фотоэффект

Фотоэффект, испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Ф. Ленард (1899) доказал, что при освещении металлов из них испускаются электроны. Первое теоретическое объяснение законов Ф. дал А. Эйнштейн (1905). В дальнейшем теория Ф. была развита в наиболее последовательном виде И. Е. Таммом и С. П. Шубиным (1931). Большой вклад в экспериментальное исследование Ф. внесли работы А. Ф. Иоффе (1907), П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева (1928).

Ф. – квантовое явление, его открытие и исследование сыграли важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории: только на её основе оказалось возможным объяснение закономерностей Ф. Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Ф. из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода. Закон сохранения энергии при Ф. выражается соотношением Эйнштейна: , где E – кинетическая энергия фотоэлектрона, – энергия фотона, – Планка постоянная, Ei – энергия ионизации атома или работа выхода электрона из тела. При 5 ). При порядка атомных энергий связи Ф. является преобладающим механизмом поглощения гамма-излучения атомами, при более высоких энергиях фотонов его роль становится менее существенной по сравнению с др. механизмами: Комптона эффектом, рождением электронно-позитронных пар.

1) Люминесцентная лампа — поглощение световой энергии вещества.

2) Фосфоресценция — накопление световой энергии. (относится к люминесценции).

3) Фотосинтез — реакция соединения. (встречается в ботанике — растения); синтез под действием света.

4) Фоторазложение — выцветание красителя. (фотолиз — химическая реакция под действием света).

Фотоэффект был открыт Г. Герцом в 1887г. А в 1888-1889г. Столетов доказал, что сила фототока прямопропорциональна освещенности. И под действием света освобождаются отрицательные заряды (электроны)

Фотоэффект:

1) Внутренний — перераспределение электронов по электрическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках(в-во не проводящее электричество), происходящее под действием излучений.

2) Внешний — испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Внешний фотоэффект

Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Законы фотоэффекта:

1. Закон о токе насыщения Ток насыщения — это ток, который определяется кол-вом электронов, освобождаемых светом за единицу времени. Каждой освещенности соответствует свой ток. Сила тока прямопропорциональна плотности освещенности светового потока.

2. Зависимость тока насыщения от падающего тока освещенности.

Сила тока освещенности прямопропорциональна падающему потоку излучения.

3. Скорость освобождаемых электронов под действием света.

Скорость вылетающих фотоэлектронов не зависит от освещенности, а определяется частотой падающего излучения.

Источник

Чернотельное излучение

Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Читайте также:  Что обозначает цвет бакена

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце. Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862.

Содержание

Практическая модель

Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет из себя замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение.

Законы излучения абсолютно чёрного тела

Классический подход

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики.

Первый закон излучения Вина

В 1893 году Вильгельм Вин, исходя из представлений классической термодинамики, вывел следующую формулу:

  • где uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана-Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

Второй закон излучения Вина

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

  • где uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • C1,C2 — константы.

Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C1 и C2 . С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

  • где uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • h — постоянная Планка
  • k — постоянная Больцмана
  • c — скорость света в вакууме

Закон Релея — Джинса

Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса:

Эта формула предполагает квадратичное возрастание спектральной плотности излучения в зависимости от его частоты. На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.

Тем не менее закон излучения Рэлея — Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с формулой Рэлея — Джинса при .

Этот факт является прекрасной иллюстрацией действия принципа соответствия, согласно которому новая физическая теория должна объяснять всё то, что была в состоянии объяснить старая.

Закон Планка

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν .

,

где u(λ)dλ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ .

Читайте также:  Летающие жуки синего цвета

Закон Стефана — Больцмана

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана — Больцмана:

,

где j — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

Вт/(м²·К 4 ) — постоянная Стефана — Больцмана.

Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Закон смещения Вина

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

где T — температура в кельвинах, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36°C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

Чернотельное излучение

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению). Объёмная плотность энергии чернотельного излучения равна , его давление равно . Очень близко по своим свойствам к чернотельному так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон — заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

Цветность чернотельного излучения

Температурный интервал в Кельвинах Цвет
до 1000 Красный
1000—1500 Оранжевый
1500—2000 Жёлтый
2000—4000 Бледно-жёлтый
4000—5500 Желтовато-белый
5500—7000 Чисто белый
7000—9000 Голубовато-белый
9000—15000 Бело-голубой
15000—∞ Голубой

Примечание: Цвета даны в сравнении с рассеянным дневным светом (D65). Реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Чернотельное излучение» в других словарях:

АЧТ — Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне Абсолютно чёрное тело физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря… … Википедия

Абсолютно черное тело — Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне Абсолютно чёрное тело физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря… … Википедия

Черное тело — Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне Абсолютно чёрное тело физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря… … Википедия

Чёрное тело — Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне Абсолютно чёрное тело физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря… … Википедия

Абсолютно чёрное тело — … Википедия

Фотон — У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон (значения). Фотон Символ: иногда … Википедия

Фотоны — Фотон Символ: иногда Излученные фотоны в когерентном луче лазера. Состав: Семья … Википедия

Вселенная — Крупномасштабная структура Вселенной как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм 1 600 000 галактик, зарегистри … Википедия

КОСМОЛОГИЯ — раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория… … Энциклопедия Кольера

Источник