【原】辐射：万物都发光，但是大部分东西发出的光太少

宗子说 2023-05-26 发布于广东

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光是什么

光是一种包含有振动的电场和磁场的波

如果你让一个电子振动，就会产生电磁波，振动的电场和磁场一起带着能量离开了这个电子。当这个电磁场击中一个电子时，就会对其施加一个力，跟声音在你的耳鼓（鼓膜）上施力或地震在建筑上施力一样。

红外辐射

我在边境上使用的神秘的双目镜是一种能够看到红外线的光学系统。红外线是一种光，它的波长比可见光更长。红外线的波长在0.65微米到20微米(650nm~20000nm)之间。因为红外线的波长更长，所以它的频率也以相同的比例降低了。

人体之所以会发出红外辐射是因为我们是温暖的。组成我们身体的原子中的电子会振动，因为它们不是绝对零度。一个振动的电子就拥有振动的电场，而振动的电场会制造出电磁波。这种效应和所有其他波的发射类似：振动大地的力度够大，你就能获得地震波；振动水，你就能获得水波；振动空气，你就得到了声音；振动玩具弹簧，就会有一条波沿着弹簧移动。

结果就是，所有东西都会发光，除非其温度处于绝对零度。虽然万物都发光，但是大部分东西发出的光太少，所以我们注意不到。当然，如果这些光的波长大部分位于我们眼睛不可见的范围，那我们也肯定看不见。哪些东西会因为热而发出可见光？以下是其中一些：烛火、被火加热到“赤热”的任何东西、太阳、60瓦灯泡中的钨丝，以及用来烧制陶器的窑。这种发光现象经常被称为热辐射。

热辐射和温度

用热力学定律可以计算出热辐射量。图9.2显示了答案。横轴表示波长，纵轴表示每平方米发出的辐射强度。你会注意到可见光波段中的单位是千瓦/平方厘米。

图9.2　不同温度的热辐射。

每条曲线都把辐射强度作为波长的函数显示出来。请检视这张图，因为它会告诉我们很多关于热辐射的知识。竖直线显示了对应蓝色、绿色，以及红色的波长。位于这些线中的光是可见的，叫作可见光波段。波长更短的光是不可见的紫外线；波长更长的光是不可见的（除非使用特制双目镜）红外线。这类辐射也被称为黑体辐射。之所以叫这个名字是因为好的吸收材料（黑色的东西）其实也是好的发射材料。黑色的东西不会反射很多光，但是它振动的电子却很善于辐射。每条曲线都标记了一个温度。最低温度是3000K，最高温度是7000K。所以说这张图只呈现了非常高的温度。

赤热：看一看3000K所对应的曲线。它在可见光波段中的功率非常小，大部分功率处于红外区。对于可见光波段中的光来说，红光比蓝光更强。一个被加热到3000K的物体会发红，我们称这为赤热（red-hot）。
白热：现在来看看5000K和6000K对应的曲线。太阳表面的温度接近于6000K这条线。请注意，这条线最高的一段有相当一部分落在红光、绿光，以及蓝光的区域。虽然蓝光的辐射强度最高，但所有颜色的光辐射强度都很高。而所谓白光，就是红绿蓝光强度相当时的组合。太阳是白热（white-hot）的。（有件事我觉得很有趣：虽然太阳内部进行着各种各样的核反应，但到头来，让它发光的却仅仅是太阳表面的高温振动电子！）
蓝白热：图9.2没有显示7000K曲线的顶部，但是你可以猜到，在这个温度下辐射最强烈的应该是蓝光。

下面这条重要的定律总结了颜色随温度而改变的现象：我们可以根据颜色定律计算出特定温度下最强烈的光的波长L：

L=3000/T

在这个等式中，如果温度T的单位是开尔文（K），那么L的单位就是微米。所以，如果温度是T=6000K，那么辐射峰值的波长就是3000/6000=0.5微米。你已经知道这符合事实（太阳的温度接近于6000K，而日光的波长约为0.5微米）。等我们回过头来解释夜视双目镜中移民的发光图像时，这条定律会非常有用。

这条定律有个出人意料之处。大部分人认为红色是热的，蓝色是冷的。那是艺术的表达方式，这一点来自火和水给人的感觉。但是对于火焰来说，最热的火焰并非只闪着赤热光，它也闪着蓝热（blue-hot）光。燃气灶的火焰通常是蓝色的，比燃气灶温度更低的烛火则是红色的。陶工们根据摆在窑边上的石块的颜色就可以估计窑的温度，天文学家利用恒星的颜色来估计其温度。

下面就是定律背后的物理学：当物体更热时，内部的电子就会振动得更快。记住，正是电子的振动制造出了电磁波。更热的电子会发出更高频率（更蓝）的辐射，而更高的频率就意味着更短的波长。

冷色

建筑的热量一部分来自房顶吸收的日光。如果房顶是白色的，就意味着有很多阳光会被反射走。白色的房顶能极大降低使用空调的开销。但是人们不喜欢白色房顶，因为邻居们抱怨这样的房顶实在是太亮了。不过即使是使用深色（黑色或棕色）房顶，也有很厉害的一招可以反射掉一半的光。窍门就是使用能反射红外辐射但吸收可见光的涂料。我们再来看图9.2，注意对应6000K的曲线——这是太阳的温度，它显示了日光的辐射情况。对比可见光的区域和波长较长的红外区域，结论是，超过一半的功率都在红外区域！（虽然不包含最高点，但在这里曲线延伸得更长。）所以如果你用的涂料会反射红外线但能吸收可见光，那么这种涂料在人类眼中虽然是深色的，但仍可以反射掉大部分的入射能量。

这种涂料已经有人用了，特别是在美国的炎热地区。物理学家有时喜欢用一个短语来形容这样的涂料，虽然他们理解这个短语，但对于不了解不可见光的人来说它却相当费解。他们说，这种涂料是“红外白色”。你能理解它的意思吗？这是一个很适合在网上研究的话题。这个概念的常用名称是冷屋顶（cool roofs）。

辐射的总功率

图9.2明确显示出的一点就是，当物体变热时，它们会发出多得多的辐射。对比物体在3000K时发出的总辐射与6000K时的总辐射，6000K时的数值要高得多。事实上，后者居然是前者的16倍之多！规则就是，辐射总功率和温度的4次方成正比：

P=AσT^4

在这个等式中，A是以平方米为单位的表面积（越大的面积会发出越多的辐射），T是绝对开尔文温度，而希腊字母σ（西格玛）是一个常量=5.68×10-8。但最重要的一项是温度的4次方。这意味着如果一件物体的温度增加到2倍，它的辐射总功率就会增长到2^4=16倍。如果温度增加到3倍，辐射就会增长到3^4=81倍。所以，温度只要升高一点，辐射就会加强很多。太阳表面的温度约为6000K，大概是室温300K的20倍，那么太阳表面要比地球表面亮多少？太阳发出的辐射总功率是地球的20^4=20×20×20×20=160000倍。这就是为什么太阳如此亮。

钨丝灯泡

普通的旋入式灯泡包含一个空心玻璃球及其内部的一根小钨丝。流经钨丝的电流使钨丝变热，通常能达到2500K。在这种灯丝发出的光中，红光比蓝光多得多。因为图9.2没有很好地显示2500K的曲线，所以我在图9.3中重新画了一条，只显示2500K的物体所发出的辐射情况。

图9.3　钨丝灯泡发出的辐射

请注意，大部分辐射都处于不可见的红外区，这意味着这类灯泡在把能量转化为光时是非常低效的（红外辐射是热的辐射，也就是说，这类灯泡生产的“热”比光还多）。记住，我们只能看见可见光波段中的光，所以光并不真是“白色”的。大部分人都能发现这一点，尤其是当他们用钨丝灯泡发出的光对比日光灯或太阳发出的光时，钨丝灯泡光是微微发红的。

事实上，正是这种微红让很多人觉得他们在普通灯泡的灯光下看起来更健康。摄影中使用的灯泡通常温度更高，一般是3300K，这是为了获得更多的绿色和蓝色，但是即便如此，如果不进行额外的修正，得到的照片仍微微发红。

灯泡消耗的能量比自身辐射的能量多。灯泡上标注的瓦数代表的是需要多少功率你才能点亮这个灯泡，而不是灯泡会发出多少光。通常来讲，只有1.6%的能量变成可见光，大部分都变成不可见的红外线，被房间吸收并转化成热。