多高溫度會導致物體發光,為啥會發光,光譜能告訴我們…


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多高溫度會導致物體發光,為啥會發光,光譜能告訴我們什麼?

首先可以肯定地說,溫度與發光沒有必然聯繫。因為物體發光有各種方式,如反射發光、光致發光、電致發光、放射發光、化學發光、生物發光等等。與溫度有關的發光一般是指光源。

比如我們看到的世界,除了太陽和夜晚的燈光、火光,絕大多數都是反射光錶達出來的。能夠自身發光的物體叫光源。除了放射、化學、生物發光等,與溫度相關的發光是屬於能量激發出來的光,只要能量達到了,溫度達到了,就能夠發出光來。

今天我們只討論與能量和溫度相關的光。

  • 首先了解什麼叫“光”

一般說的發光是指可見光,就是人眼睛感受到的亮光,這些亮光有亮有暗,但總體上是人眼感光細胞能夠感受到的光。但實際上,人眼還有許多感受不到的光,但有有些動物能夠感受到,或者說人類製造的設備儀器能夠感受到。

這是因為所謂“光”就是電磁波,而可見光只是電磁波譜中小小一段而已,波長約在380nm~760nm之間,比這個波長短的叫紫外線、X射線、γ射線;比這個波長長的叫無線電(包括長波、短波、微波)、紅外線等,這些都是人眼沒辦法看到的,但有些動物能看到紫外線和紅外線,因此看到的世界色彩就與我們人類不一樣。

我們人眼能感受到到的只有可見光,由於可見光是一種複合光,根據能量頻率和波長不同,大致分為紅橙黃綠青藍紫7色,當然這7色並不是界限分明,每種顏色之間是一個逐漸過渡的過程,這就叫可見光的光譜。

正是由於可見光具有色譜,不同物體對不同波段的光吸收率不一樣,人類才能夠看到一個色彩斑斕的世界。光的波長越長,頻率越低,能量越低。可見光光譜中,紅光能量最低,頻率最低,波長最長;而紫光;頻率最高,能量最高,波長最短。

  • 再來了解一下什麼叫溫度

溫度是表示物體冷熱程度的物理量,從微觀上說,是指物體分子運動的劇烈程度,分子運動越激烈,溫度就越高。從更微觀的層面說,發光是電子在躍遷過程中釋放出來的光子。任何物質都是由元素組成,而元素是由原子組成,原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。當原子得到外來能量就會讓電子躍遷到更高層級,但電子總有回到自己層級的惰性,當能量不能維持它躍升到更高能級的時候,就會躍遷回到自己的軌道,這時就會釋放出一個光子。

無數個原子都是放出光子,就會發生髮光現象。當能量較低時,發出的電磁波就會以不可見低能光出現,如無線電波、微波、紅外線等,這些可以通過儀器測量;能量較高時,就會發出可見光;再高時就會發出超出可見光頻率的高能不可見光,如紫外線、X射線、γ射線等。

微觀運動除了發出不同頻率的電磁波,原子分子運動越劇烈,發出的光能量就越高,同時發出熱輻射。這就是溫度的由來。衡量溫度高低的標尺叫溫標,是人類為了表述方便,根據對自然規律長期認識的結果而設定的。

現在執行的溫標主要有熱力學溫標,用符號“K”表示,又稱開爾文;華氏溫標,用符號“℉”表示,又稱華氏度;攝氏溫標,用符號“℃”表示,又稱攝氏度。其中標準溫標是熱力學溫標,是科學界用於衡量其他溫標的一個標尺。

熱力學溫標理論上將宇宙最低溫度設定為0 K(不是OK),俗稱絕對零度。絕對零度是分子運動的下限,在這個溫度下,分子已經沒有動能,是溫度的理論下限值。在絕對零度時,所有物質完全沒有粒子振動,而空間是由於粒子運動而存在的,因此沒有了粒子運動,空間總體積為零。

因此,理論上只要宇宙存在,就不會有絕對零度出現。

攝氏溫標與熱力學溫標1度對應1度,但起點不一樣。絕對零度為-273.15攝氏度,即0 K=-273.15 ℃,點為273.15 K=0 ℃,沸點為373.15 K=100 ℃,以此類推;華氏度與攝氏度的對應關係1攝氏度間隔相當1.8華氏度間隔,0 K=-275.13 ℃=-459.67 ℉,冰點273.15 K=0 ℃=32 ℉,沸點373.15 K=100 ℃=212 ℉,以此類推。

  • 溫度與可見光的關係

任何物體溫度高於絕對零度時,都會發出熱輻射,也就是發出電磁波,但在溫度較低時,輻射只能以不可見光的方式發出,人眼是看不到的,但通過儀器可以監測到。隨著溫度升高,輻射能量加大,物體就會發出可見光。

一般來說,當固體溫度升高到500攝氏度時,就開始輻射出暗紅色的可見光,隨著溫度升高,光的顏色也會發生變化,按照紅-橙紅-黃-黃白-白-藍白的順序漸變,這就是光的色溫和光譜,溫度越高,可見光中的藍色就越多。

氣體通過高能激發可發出明亮的可見光,如氙燈就是就是將電極電壓提高到數万伏以上,高壓擊穿氙氣而導致在在兩極之間形成電弧,發出明亮的光。這種光叫等離子體,又叫電漿光,是由於原子部分電子被剝奪後,形成有正離子和負離子組成的混合氣態狀光源。

等離子體溫度很高,一般都在數千K到數万K。等離子體是物質的第四態,恆星就是以等離子體形態存在。

  • 光譜色溫和元素光譜

從上面敘述,我們已經了解了原子得到能量後釋放的光子,因此光是能量輻射,是電磁波,而可見光是人眼能夠感知到的電磁波。可見光的光譜範圍在380nm~760nm左右,波長越長頻率越低能量越小,而可見光是一種複合光,大致由紅橙黃綠青藍紫七色過渡組成,其中紅色能量最低,紫色能量最高。

這就是光譜,這種光譜通過三棱鏡可以色散分離出來。溫度越低的光能量也低,因此呈現出紅色越多,溫度越高的光能量越強,光譜就向藍色偏移。科學家們就是根據光譜來確定恆星表面溫度的,如將恆星分成O、B、A、F、G、K、M等光譜型。

M型光譜的恆星溫度最低,表面溫度在在2000~3500K,顏色為紅色;K型表面溫度在3500–5000,顏色為橙色;G型是我們太陽的光譜,表面溫度在5000–6000K,顏色為黃色;隨著光譜顏色從黃轉白轉藍,溫度越來越高,如到了O型,表面溫度達到了30000K以上,顏色蔚藍色。

恆星的光譜與溫度和質量是密切相關的,一般來說,溫度越高,顏色越偏藍,質量就越大,因此科學家們從恆星的光譜、溫度就能夠大致得出恆星的質量了。

光譜還與恆星所含有的元素密切相關,因為不同的元素所發出的光譜是有區別的。這是因為不同元素電子躍遷釋放出的能量波長不一樣,我們知道光的顏色與波長有關,因此不同元素發出的顏色就不一樣。比如氫的光譜顏色為綠色,氧的光譜顏色為藍色,硫的光譜顏色為紅色等。

科學家們通過接收到的恆星光譜分析,根據光譜顏色譜線不同,就能夠分析出這顆恆星的成分及大致比例。

這就是物體發光的原因及其不同光譜所包含的奧秘。感謝閱讀,歡迎討論。如喜歡本人文章,請支持點贊和關注,再次感謝。

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