Почему металлы светятся только красным, желтым и белым, а не во всем диапазоне спектра?

Физика того, почему нагретый металл светится как черное тело, уже была подробно освещена в предыдущих ответах. Однако, чтобы полностью восполнить пробел с физиологией цветовосприятия (на что ссылались в некоторых ответах), стоит показать картину планковского локуса :

^{Сюжет PAR, из Викисклада .}

Это набор всех цветов, которые может иметь черное тело, нанесенный на диаграмму цветности. Он вычисляется путем объединения формулы излучения черного тела с функциями согласования цветов , которые представляют собой математическую модель нашего цветового зрения.

На этом графике ясно показан путь нагревания черного тела: красное → оранжевое → желтое → белое → синее. Теперь можно задаться вопросом, по какому совпадению он попадает прямо в белый, а не идет немного выше (сквозь зелень) или ниже (сквозь пурпуры). Этот вопрос, однако, является обратным. Хорошим вопросом будет: «Почему мы решили назвать «белым» цвет из планковского локуса». Это вопрос определения белого , и он не однозначен.

На жаргоне физиков слово « белый » часто используется для обозначения «плоского спектра», то есть такого, в котором мощность на единицу частоты не зависит от частоты. Однако, когда речь идет о реальных видимых цветах, это имеет совершенно другое значение:

• Поверхность называется белой, если она отражает почти весь падающий на нее видимый свет .
• Свет называется белым, если он выглядит как свет, обычно исходящий от белой поверхности.

Это оставляет понятие « пока свет » нечетким: свет, исходящий от белой поверхности, имеет тот же спектр, что и любой источник света (имеется в виду: источник света), направленный на нее. Тогда свет от любого типичного источника света можно было бы считать в некотором смысле «белым светом».

На практике в области науки о цвете существуют так называемые « стандартные источники света », которые считаются белыми. Особенно D65 и D55. Они предназначены для моделирования естественного дневного света. Выбор дневного света в качестве эталонного источника света очевиден, учитывая, что наш вид развивался в мире, где дневной свет всегда был стандартным источником света и, следовательно, нашим естественным эталоном белого цвета.

Спектр дневного света меняется в зависимости от погоды и высоты солнца над горизонтом, но он никогда не бывает слишком далек от спектра абсолютно черного тела. Что, вероятно, не очень удивительно, учитывая, что Солнце само по себе является довольно хорошим черным телом.

Когда металлы (или любые материалы) сильно нагреваются, они излучают «излучение черного тела». Забавное название, потому что даже «нечерные» тела излучают это тепловое излучение. Могут быть некоторые (небольшие) отклонения от общего закона из-за коэффициента излучения поверхности, но не настолько, чтобы вы заметили.

Излучение черного тела — это не одна длина волны, это широкий спектр, заданный законом Планка. Я привел несколько примеров этого в этом более раннем ответе . Я просто воспроизведу оттуда одну из кривых:

Это показывает, что общая форма кривой эмиссии всегда одна и та же — единственное, что меняется, — это положение пика (которое следует закону 1/T, известному как закон смещения Вина), и площадь под кривой, которая увеличивается. с четвертой степенью температуры (закон Стефана-Больцмана).

Как я уже упоминал, в «реальном» материале могут быть некоторые «выпуклости» в спектре из-за изменения коэффициента излучения в зависимости от длины волны, но, насколько мне известно, этого недостаточно, чтобы остановить появление красно-желто-белого цвета. вещи становятся горячее. Однако, когда становится очень, очень жарко, они могут казаться синими. Однако при этой температуре интенсивность света настолько велика (и с таким количеством УФ-излучения и более коротковолнового света), что я настоятельно рекомендую не пытаться смотреть на источник. Но вы можете видеть это на приведенной выше кривой T=10000, в которой синего света гораздо больше, чем красного.

Когда я говорю о цвете, например, зеленом, я имею в виду диапазон длин волн, который при попадании в глаз воспринимается как диапазон цветов, зависящий от интенсивности каждой из длин волн в этом диапазоне, например, желтовато-зеленый, зеленый, голубоватый. зеленый.

Спектр излучения черного тела при определенной температуре показан ниже.

Цвета, показанные на графике, иллюстрируют цвета, которые воспринимал бы наш глаз, если бы свет освещался диапазоном длин волн, охватываемым определенным цветом.

Мозг интерпретирует информацию от цветовых рецепторов (колбочек), поэтому вы воспринимаете цвет, который иногда может быть «неожиданным».
Например, сочетание красного и зеленого света воспринимается глазом как желтый.

При температуре$3000 \, \rm K$подавляющее большинство видимого света, попадающего в глаз, имеет красный цвет, поэтому объект кажется красным.

По мере повышения температуры появляется больше красного света, но также и оранжевого света, поэтому цвет объекта меняется, и из тускло-красного он становится более ярко-красным.

При более высокой температуре существует больший диапазон длин волн, каждый из которых стимулирует колбочки, и из-за этого диапазона цвет объекта движется в сторону белого, а не отдельных цветов, которые излучаются.
Повышение температуры еще больше, что делает пропорции цветов примерно равными объекту, делает объект белым.
Еще более высокая температура, когда очень опасно смотреть прямо на горячий объект из-за испускаемого ультрафиолетового света, белый цвет имеет голубоватый оттенок.

Металлический стержень, нагретый в индукционной печи, очень хорошо показывает изменение цвета.

Если вы хотите увидеть зеленый горячий объект, вам нужно отфильтровать красный и синий концы света от объекта.

Все длины волн включены в то, что вы называете «белым», поэтому присутствуют все длины волн.

Эволюция, которую вы описываете, — это эволюция излучения черного тела по мере увеличения тепла.

Вы можете видеть в ссылке , что по мере увеличения температуры кривая смещается влево, к меньшим длинам волн.

Когда температура излучателя черного тела увеличивается, общая излучаемая энергия увеличивается, и пик кривой излучения смещается в сторону более коротких длин волн.

Вот левая сторона радиатора черного тела, который является горячим металлом.

Заднее излучение в видимом спектре при 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200 и 1250 К.

По мере повышения температуры образца спектр сдвигается влево, и высвобождается все больше и больше фотонов с более высокой энергией.

По мере увеличения температуры слева появляется все больше и больше фотонов видимых энергий, сначала красных, затем желтых, а затем, когда температура достигает зеленого цвета в спектре, вы уже видите «белый», потому что именно так работает восприятие цвета в человеческом теле. наши глаза. С этого момента он белый для нашего восприятия.

смешение цветов

Кривые почти плоские на этом уровне обнаружения и при температуре s, при которой металл накаливается , тем не менее, количество испускаемых фотонов смещено в сторону инфракрасного излучения, всегда будет больше фотонов на более низкой частоте, чем в следующей полосе спектра, таким образом, синей. не может доминировать над «белым» супом, который видят наши глаза.

Разве все длины волн не должны излучаться одна за другой по мере повышения температуры металла?

Эмиссия черного тела может быть сильно упрощена , поскольку «мы начинаем с самых низких, а затем продолжаем добавлять более энергичные длины волн по мере повышения температуры». Вот почему, когда мы доходим до того, что в смесь добавляется все видимое, люди воспринимают «белое». Белый – это полный спектр.

Итак, это выглядит так:

• только красный (мы воспринимаем красный)
• красный и зеленый (мы воспринимаем желтый)
• красный зеленый и синий (мы воспринимаем белый цвет)

Если вы хотите видеть синие и зеленые цвета, сначала нужно перестать излучать красные. И дело не в том, как это работает, квантовая механика объясняет почему.

Конечно, это грубое упрощение. Другие ответы показывают, что по мере повышения температуры кривая выбросов не только становится шире (то, что я описал здесь), но и немного смещается вверх (что ожидал ОП). Но первый эффект велик, а другой мал по сравнению с ним, поэтому доминирует расширение в белый цвет. Только с самым горячим из горячих (например, с дуговыми лампами) мы доходим до того, что начинаем воспринимать свет как «слегка голубоватый».

Также нет необходимости ограничиваться металлами. Единственное, что касается металлов, это то, что их нельзя сильно нагреть. Что, случайно, заставляет эксперимент остановиться именно там, где белый самый красивый.

Я сделал рисунок, чтобы подчеркнуть то, что я считаю наиболее важным моментом для понимания того, почему излучение черного тела никогда не воспринимается как зеленое:

• Ширина и расстояние между кривыми спектральной чувствительности клеток колбочек человека намного меньше, чем ширина кривой Планка .
• Зеленая колбочка (M-колбочка) является «средней», а красный и синий колбочки (L- и S-колбочки) наиболее далеко смещены в одну сторону в каждую сторону видимого спектра.

Результатом этого является то, что невозможно стимулировать M (зеленую) колбочку излучением черного тела, не стимулируя L (красную) или S (синюю) колбочку в той же или большей степени.

Излучение черного тела, которое мы воспринимаем как красное и синее, на самом деле не достигает пика там, где пики чувствительности L и S колбочек. Пик чувствительности L-колбочек около$570$нм, в то время как пик чувствительности конуса S составляет около$442$нм. Используя закон смещения Вина, мы находим, что излучение черного тела для$\sim 5100$К и$\sim 6550$K будет иметь пик на этих длинах волн. Но на этом рисунке ( из Википедии ), показывающем воспринимаемый цвет излучения черного тела при разных температурах, мы видим, что обе эти температуры будут восприниматься как более или менее белые.

Вместо этого большинство красных и синих излучений черного тела имеют пик на гораздо более длинных и более коротких длинах волн. Вместо этого это кривые Планка, для которых наклон наиболее крутой между пиками кривых спектральной чувствительности, создавая максимальный контраст при стимуляции между различными типами колбочек.

Одна важная вещь, которую следует отметить, как это сделала Галинетт в комментарии, заключается в том, что металлы действительно испаряются вскоре после того, как они нагреваются достаточно, чтобы излучать значительное количество излучения абсолютно черного тела в видимой части электромагнитного спектра. Как показывают графики, опубликованные другими, металл будет излучать свет, воспринимаемый как белый, около 5000 К. Он должен быть теплее, чтобы график располагался так, чтобы испускаемое излучение в видимой части спектра выглядело синим. Железо, например, имеет температуру плавления 1811 К и температуру кипения 3134 К. Если железо нагреется настолько, что приобретет голубой оттенок, вы не сможете увидеть его очень долго.