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为什么有些物体温度高到一定程度就会发光?

实际上,所有物体都会发光,或者说,只要是绝对零度以上的物体都会发光。我们人类观察到的有些物体温度高到一定程度就会发光只不过是发光的光波频率进入到了可见光的波段,因而我们的眼睛可以观察到而已。


要理解这些东西,需要了解几个基本概念:

黑体

黑体是理论上的一种理想物体,它不反射或者透射任何光。但是黑体自身可以发出热辐射,也就是“发光”。黑体会因为加热而发光(发射光子辐射),并随着温度的升高而发射不同频率的光子。假设黑体这种理论性的概念,主要是为了探讨热力学的一些问题,因为不用考虑黑体的反射和透射等复杂的情况。当然,在现实世界中,是不存在黑体这种东西的。

上图:被加热的铁钉,透出红光。


所以我们就可以用“黑体”来描述物体因为受热而发光的情况,这类似于我们用“刚体”来描述物体受力的情况一样。


色温

前面说了,黑体温度越高,其发光的波长就越短,频率就越高。而色温就是利用了黑体这一规律来描述光的色彩的一个量。因为我们没办法给所有的色彩都取一个名字,因此我们可以用一个数量来描述无穷的色彩。

色温就采用了黑体在不同的温度下辐射出的光子的颜色的那个温度值作为描述颜色的方法。色温的范围即从绝对零度(0K)开始,向上可以上升到温度的上限(这个上限可能是哈格多恩温度,大约是2万亿K,此温度下夸克直接转化为能量)。

例如:如过一个单色光源发出的光,其颜色与绝对黑体在3527℃时的颜色相同,那么这只灯泡发出的光的色温就是:(3527 273)K=3800K。


色温的范围也说明了,任何物体只要温度高于绝对零度,就会辐射出光子,它们与黑体的差异只在于它们可能还会反射环境的光子。

我们看到金属在加热时发红,并不是说是金属加热到某个温度才开始辐射光,而是金属在低温时辐射的光子的频率低于红色光。因为红色光是我们的视觉能够感知的光的下限,金属在更低的温度下只能辐射红外光,甚至远红外光,这些光我们无法看到,但并不能说那金属就没有发光。

上图:一个简化的黑体辐射谱(不是彩虹旗)


如果有专业的仪器,我们甚至可以在0度以下探测到金属发出的光,只是这探测仪器恐怕需要非常灵敏才行。


为什么一切物体都在发光?

这是因为,光的本质实际上就是电子振动所辐射出来的电磁场能量。或者说光子就是电子所产生的静电场振动所产生的时空的涟漪(这类似引力波是物质振动所产生的时空涟漪)。只要电子有振动,就会释放光子,而且无论多么微弱也是光啊。

温度的本质,实际上就是多个原子接受机械动能之后产生的集体振动,这种振动的能量会在原子之间传导,在宏观上就形成“热”效应。

但这种振动并非简单地是原子之间的刚性碰撞,因为原子核外的电子还会被这种动能扰动,发生能量的转储过程,即部分电子因为外部动能的干扰而“脱轨”(专业术语叫“激发”),

电子被激发的后果就是电子会“出轨”到更外层的轨道,然后导致原子的电场发生扰动。由于原子核外层的电子就像弹簧一样,一旦被扰动,它是会想“弹”回去的。于是电子必须把接收到的动能释放掉,才能落回原来的“轨道”(实际上是电子壳层),正好由于电场被扰动,相当于给能量通过电场释放开出了一个口子——光子被顺水推舟地产生出来了,在瞬间就带着能量飞了出去。电子也就回归本位了。

用一个更生动而且贴切的比喻:这相当于一大堆“不安分”的原子相互拨动了对方身上的“琴弦”,然后琴弦回弹,以声音的方式把拨弦的能量释放了出去。而且拨的弦(电子层)不同,声音(颜色)也就不同。于是在一阵缭乱的琴声之后,又回归了寂静,除非有人又来挑拨(注入能量)这一堆不安分的原子。发红的铁块,实际上就是被外部的加热的能量强力“挑拨”了的一大堆铁原子,这些铁原子相互狠狠地撩拨彼此的“琴弦”,发出高音,于是成为了我们看到的红光。

“热”实际上是一种宏观的统计学效应,温度是热强度的度量,需要多个原子其意义才存在,如果只有一个原子,这种振动就失去了相对性的意义,也就不存在振动。


确实一切物体都发光吗?

所以,热,是一切物体发光的根本原因。而绝对零度是上述振动消失的理想状态,是不可能达到的,因此现实中就没有不发光的物体。即便是黑洞,由于引力原因光无法逃脱,但黑洞仍然在向外辐射能量,只是这种辐射非常微弱,而且黑洞的质量越大其辐射越微弱。一个太阳质量的黑洞,其色温为0.06172x10^-6K,已经极度接近绝对零度。

上图:黑洞发光的原理——霍金辐射。


除此之外,我们再找不到不发光的物体。就连宇宙本身,根据大爆炸理论,和我们观测到的宇宙微博背景辐射,我们也可以认为我们感受到的宇宙的温度是2.725k,相较于黑洞,算是“温暖”的了。

上图:宇宙微博背景辐射上的“冷点”。


所以我们人类,以37摄氏度的体温生活在这个宇宙之中,就算是很明亮的物体了,因为宇宙的绝大部分物体可能都非常“冷”,光线非常弱。


总结

认为物体要加热到一定才发光是一个误解。一切物体都在发光,包括黑洞和宇宙在内,没有例外。

答:我们平常说的发光,是指物体发出可见光,但可见光只是电磁波中极其狭窄的一个波段;热力学和量子力学指出,任何物体都会向外辐射电磁波,也就是热辐射,辐射电磁波的波长与温度有关,大约在500℃~800℃时,辐射最大值落在可见光区域。


热力学指出,任何高于绝对零度的物体,都会向外辐射电磁波,温度越高,单位时间内辐射出来的总能量也就越大,最高能量密度对应的波长也越短。

从微观层面上看,温度的本质是微观粒子(比如原子、分子等等)的不规则运动,由于原子中有带正电荷的原子核,以及带负电荷的电子,粒子的不规则运动会导致微观粒子磁矩发生变化,从而向外损失能量,也就是外向辐射电磁波。

理论上,热辐射对应的波长可以从零到无穷大,这主要与物体的温度有关,可见光的波长为380nm~780nm,属于电磁波中非常狭窄的一个波段,低于380nm和高于780nm的电磁波我们都无法肉眼看见。

比如红外线测温仪,就能检测红外线波段(760nm~1mm),以此判断出物体的温度,但是我们肉眼却看不见;太阳光中的紫外线(100nm~400nm)会对皮肤造成伤害,我们肉眼也看不见紫外线。

物体热辐射是有规律的,物理学中一个理想的黑体严格遵循黑体辐射定律,或者叫做普朗克辐射定律,其公式为:

生活中很多物体可以近似看做黑体,比如一个铁块,我们对铁块进行加热,根据公式我们很容易知道:

1、温度达到500℃,铁块热辐射最大值进入可见光区域;

2、当温度大于800℃后,辐射最大值移出可见光区域,但是由于辐射总量在增加,所以可见光区域依然保持了足够高的辐射功率。

导致的情况就是,我们对一个铁块从0℃进行加热,低于500℃时铁块显示它本身的颜色,大于500℃后,铁块变得暗红,然后逐渐赤红,再变黄白,这就是很多物体加热后会发光的原因。


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光是什么?

光是“能量的种传播方式”,在光源的物体中原子与分子运动有热运动、跃迁辐射、带电粒子加速辐射三种运动方式,生活中常见的光是热运动。

人眼能看到的光是电磁波,也就是可见光谱。电磁波长在380~760nm之间才会被人眼感受到,波长太短或太长都是不可见的,比如红外线波长>760nm,紫外线<380nm,这些肉眼都看不见了。

既然光是物体内部的原子与分子热运动辐射出来的光波,那么分子运动越快温度会越高,物体越热。物体温度越高,向外辐射的光就越多。太阳的内部温度高达5700℃,它向四面八方放光放热了46亿年之久,地球也因为它的光与热而演化出勃勃生机。

光是很简单的,只要有高温就易产生,不过宇宙中也存在高达几千℃却无光的天体,也存在发光但温度并不高的物体。

这是一个很好的问题,准确的说,任何在绝对零度以上的物体都会发光,只是在大多数情况下,这些光是我们肉眼看不见的。

简单的解释是,因为有内能的物体(也就是有温度的物体)不断地运动(原子层面),互相反弹,这些碰撞有效地将热能转化为辐射能。

为了更好的理解,我们想象下两辆车相撞的情况,是不是有些碎片会飞出来呢?

现在回到原子的世界,同样的事情也会发生,当它们相互作用时,有些“碎片”也会飞出来,而当这些“碎片”中有一些以光子形式存在时,我们就能看到它发光了。

这种能量也可以解释为什么火在不接触它的情况下也能感觉到它的温暖,因为热量“辐射”到我们的身体(至少主要是辐射)。

那为什么我们的眼睛看不到所有的热?

原因很简单,我们不可能看到无线电波或其他很多东西,我们只能看到宇宙中可能存在的“光”的一小部分。

而温度转化为粒子运动是有规律的,它是粒子的(热)速度正比于其温度的平方根。

在某一种材料中(如烧红的铁),金属中的微粒受到一种势能的作用,使它们聚集在一起 随后,微粒因温度变化而发生热振荡,并保持在该能级下,同时因为它们在振荡,所以它们必须加速,当电荷粒子加速时,它会向外辐射发光。

这种光的波长与加速度的大小有关,加速度的大小(在我们的例子中)与温度有关。因此,热物体的颜色实际上可以用来告诉我们温度。

同样的,如果我们知道温度,我们也能知道它是什么颜色(当然不是反射太阳光),这个方程叫做维恩定律。

所以当物体足够热时,使波长在我们的视觉范围内(380nm-780nm)时,我们才能看见。

而人类为什么只能看到波长在380nm到780nm的光,这个和我们的太阳有关,太阳一直在辐射发光,为地球带来能量,而进化利用了这一点,得到了一些有利的因素。

最后

既然把问题放大到这个层面(进化)了,我们就再考虑下太阳,它通过辐射使地球变暖,给万物带来生机。

我们可以辨别出太阳在我们星球上一些范围内光子的相互作用,因此我们的眼睛对它产生了一种敏感度。

当物体进入一个特定的温度(或能量状态),在相应的距离上和太阳差不多时,我们的眼睛就能看到它们。

而热的物体对我们肉眼来说会发光,是不是有点像在警告我们:不要碰!它很烫!

“温度高到一定程度就会发光”只是我们的一种错觉罢了,因为我们认为的“发光”其实是指可见光,而可见光在光谱中是非常狭窄的一小段,有太多的光谱人类根本无法用眼睛直接感知到,比如说紫外线,红外线等。见下图:

严格来讲,无论温度高达,任何物体都会发光,我们通常所说的“不发光”其实是指“不发可见光”。比如说人体发光吗?确实发光,无时无刻不向外发射红外线,带着红外线眼镜就可以看到。

理论上讲,只要物体的温度高于绝对零度,就会不断地向外面辐射光子,而绝对零度是不可能达到的,所以任何物体都在向外辐射光子,都在发光。

而通常我们看到一块铁在加热到非常高的温度才会变红发光,其实也是辐射的可见光。其实铁一直在辐射光子,但是只有温度很高的情况下才辐射可见光。

这里有必要说一个理想模型:黑体,一个不反射光也不吸收光的模型,这种模型其实是不存在的。即使真的存在,黑洞也会向外辐射光子,黑体温度越高,向外辐射的光波长越短,频率越高。

那么物体为何都会发光呢?这里需要明白物体发光的本质。

简单讲,光其实就是电磁波,是由电子振动辐射出来的电磁场,也就是能量。所以,只要电子有振动,就会有光子产生,无论多么微弱也是光。

而根据量子力学不确定性,电子随机地出现在原子核外层不同的轨道上,也就是一直都在振动,电子不会静止在某个轨道上,而有振动就会有光子产生。

电子在不同的轨道跃迁过程中就会吸收或者释放光子,向外层轨道跃迁吸收光子,向内层轨道跃迁会释放光子。如果吸收大量光子,电子就会彻底脱离原子核的束缚,成为游离态!

总之,在现实中没有不发光的物体,即使是诡异恐怖的黑洞也不例外。

黑洞强大的引力能够吞噬一切物体,连光也逃脱不了。但即便这样,黑洞仍旧会不断地向外辐射能量,辐射的方式就是“霍金辐射”,这个过程是极其漫长的!!

为什么有些物体温度高到一定程度就会发光?”,在科学定义上,光通常指所有波段的电磁波,从这点来说,任何物体都会发光,因为任何高于绝对零度的物体都会产生热辐射,热辐射本质上就是电磁辐射。对于本题来说,我们需要了解高温物体的热辐射。

热辐射

我们知道热量传递方式分为三种,分别是热传导、对流传热和辐射传热,对于辐射传热来说,任何高于绝对零度的物体都会自发的产生热辐射,但是温度较低的物体其辐射能量较低,对应的辐射电磁波波长较长,通常为红外光波段,不属于可见光波段,所以我们无法看到低温物体通过热辐射发光。

随着物体温度的上升,其辐射能量变大,对应的辐射电磁波波长变短,当辐射电磁波波长进入可见光波段后,我们就能看到高温物体发出的光了。在日常生活中,我们经常见到的白炽灯发光过程,其实就是灯丝辐射传热的过程,当灯丝通电后,由于电流的热效应,钨制灯丝很快会达到两千摄氏度的高温,并进入白炽状态,发出可见光。

如何理解高温物体的热辐射

我们知道热辐射其实就是物体释放电磁波的过程,所以如何理解热辐射也就变成了理解高温物体发射电磁波的过程。物质由原子构成,我们以铁为例,构成铁的铁原子中,其电子运行在不同的轨道上,当然电子的轨道是量子化的轨道,这些电子会分布在不同的能级上,当我们加热钢铁时,处于稳定基态的电子会吸收能量而跃迁至激发态,但是激发态是不稳定的状态,电子会自发的向低能级进行跃迁,在这个过程中,电子会把吸收的能量以光子的形式释放出去,而光子本质上就是电磁波。

由于人类视觉系统的原因,我们只能感受到波长为380nm-780nm的电磁波,也就是可见光波段的电磁波,其实任何物体都在释放电磁波,但主要在红外波段,热成像仪就是利用了物体释放红外线的原理进行工作。(下图,热成像仪中发光的人体)

结语

物体温度升高,代表物体吸收了大量的能量,这些能量导致构成物质的原子中,电子处于激发态,当处于激发态的电子向低能级跃迁时,会释放出电磁波,其释放能量的大小对应不同波长的电磁波,如果电磁波的波长处于380nm-780nm范围,也就是可见光波段,那么我们看到这个物体就是发光状态。

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光其实是能量的一种形式,关于光的什么波粒二象性、衍射这些就不说了。其实除了我们平时看见的可见光以外还有不可见光的。

物体发光是因为原子的电子受到激发而发生电子跃迁,核外电子运动可以看作是有不同轨道的,当能量传到原子时,被电子吸收从基态变为激发态,但是只是短暂的,后又回到基态,既然从基态到激发态是吸收能量,那么回到基态就是释放能量了,除了回到基态需要的能量外,剩下的以一定波长的光谱线释放能量。

其实任何温度高于绝对零度的物体都是发光的,温度越高,辐射的电磁波波长越短。

说得对,有些物体温度高到一定程度就会发光。为什么呢?因为有些物体,明物质里含有带电粒子,质子带正电荷,电子带负电荷,有了温度就会运动,电磁场发生周期性变化,产生电磁波,频率适当时就是可见光。。。为什么是有些物体呢?因为不是所有物质都有带电微粒。中性物就是不带电的物质,全部由中子构成,由他组成的物体不论温度高低都不会发光。。。中性物属于另类暗物质,正宗暗物质是分散的不能结合成物体的晕状分布冷中子团。但是中性物可以构成物体,因为他有类似原子结构。。。稳定的中性物核心是56个中子靠万有引力的结合体。外围由多个中子绕核心旋转,形成行星模式。。。中性物密度极大,自然界可能不存在,必须人造,非常坚固,可抗核弹,是核弹克星。

产生离子态

首先,不是有些,而是所有物体!因为发光只与温度有关,与物质成分,元素,分子及结构无关!这可以从普朗克黑体辐射公式:辐射强度及频率仅与温度相关!

其次,光只是带电体产生的电磁场,既不是电磁波,也不是光子,更没有波粒二象性!

再者,物体有自发光,由物体的温度决定。物体反射,散射,折射,透射,衍射和绕射光则复杂得多,既与入射光的频率与强度有关,还与物体的元素,原子与分子,甚至分子团均相关!这就是为什么同样由碳元素构成的石墨与金刚石的光学性能有天壤之别的原因所在!

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