Влияют ли цветовые фильтры на температуру света?

Температура, цвет и энергия означают разные вещи.

Отдельный «фотон» имеет связанную с ним энергию, но ошибочно думать, что это цвет. Три вещи, которые (для большинства намерений и целей) эквивалентны, это энергия$E$, длина волны$\lambda$и частота$f$, которые связаны

где$c$это скорость света и$h$есть постоянная Планка. Обратите внимание, что по мере уменьшения длины волны$E$становится больше.

У людей есть три вида колбочек (воспринимающих цвет) клеток — красные, зеленые и синие, но они не «только» видят красный, зеленый и синий соответственно — они также в разной степени возбуждаются другими длинами волн.

Для человека комбинация света с длинами волн 500 и 660 нм кажется желтой, но физически это отличается от ситуации, например, с желтой натриевой лампой, которая излучает в основном фотоны с длиной волны ≈580 нм.

Свет от чего-то вроде солнца или лампы накаливания еще сложнее — это почти идеальные черные тела, а это означает, что они в некоторой степени излучают на всех длинах волн: это одинаково возбуждает все три наши колбочки, которые наш мозг обрабатывает как «белые». . Ключевым моментом является то, что не существует такого понятия, как «белый» фотон, но есть такое понятие, как «синий» фотон.

Изменение цвета черного тела по мере того, как оно нагревается, происходит из-за движения «пиковой» длины волны, то есть длины волны, при которой излучается больше всего света, которая для Солнца составляет около 500 нм. Если бы солнце стало жарче, пик сместился бы влево, вызывая появление большего количества синих колбочек и меньшего количества красных. Точно так же, если бы стало холоднее, пик сместился бы вправо (меньшая энергия), из-за чего Солнце выглядело бы более красным.

Итог Все длины волн фотонов несут энергию, «белый» свет представляет собой смесь многих длин волн, и фильтрация этой смеси, чтобы получить, например, только красный свет, заставит фильтр нагреваться / отражать энергию в другом месте.

Свет не имеет температуры, но несет энергию на разных частотах. Энергия света заставляет материю нагреваться при их взаимодействии. Энергия, которая фильтруется, вызывает нагрев фильтра.

Но меня смущает то, что означают эти разные цвета, имеющие разные «энергии». Говорят, что синий свет обладает большей энергией, чем красный.

Утверждение «синий свет имеет больше энергии, чем красный свет» является неточным утверждением. Более точное утверждение: «Синий свет имеет больше энергии на фотон , чем красный свет». Сказать, что у синего света больше энергии, чем у красного, это все равно, что сказать, что золото весит больше, чем вода.

Если да, то куда уходит тепло для цветов с более низкой энергией - поглощается ли оно фильтром?

Когда фильтр поглощает свет, он поглощает его энергию. Таким образом, и фильтр, поглощающий синий свет, и фильтр, поглощающий красный свет, поглощают энергию и уменьшают энергию света.

Синие фотоны (= фотоны с длиной волны ~ 420 нм) имеют более высокую энергию, чем красные (= фотоны с длиной волны ~ 600 нм). Это означает, что каждый отдельный поглощенный синий фотон действительно сильнее нагревает поверхность, потому что дает ей больше энергии. Но два красных фотона нагреют поверхность сильнее, чем один синий фотон. Сами по себе фотоны не «имеют» тепла, тепло — это коллективное следствие случайного движения многих атомов/молекул/...

Фотоэлектрический эффект в видео немного отличается от нагревания материала, поскольку фотонам требуется достаточно энергии, чтобы вытолкнуть электроны из материала. Красный свет может не выбрасывать электроны независимо от того, сколько фотонов попадает на материал, а синий — даже если у вас мало фотонов (и, следовательно, меньший нагрев).

Температура света, например, как на лампочках "3000К", это все-таки другое. Черное тело испускает электромагнитное излучение. Спектр этого излучения зависит от температуры — скажем, что-то при температуре 3000 К имеет пик излучения на длине волны примерно 1 микрометр (ближний ИК-диапазон), в то время как наше Солнце при ~ 6000 К имеет пик зеленого света. И это температурное обозначение лампочки просто означает, что «эта лампочка излучает свет, который имеет примерно такой же спектр, что и тело при этой температуре» (опуская подробности о качестве цвета).

Вы можете начать с ламп накаливания 3000К, затем добавить фильтр, чтобы получить свет 6000К. Первый свет красноватый, второй голубоватый. Но даже несмотря на то, что после фильтра ваши вылетевшие фотоны более синие и, следовательно, имеют в среднем больше энергии, этот фильтр поглощал (или отражал; в видеофильтре поглощал свет) довольно много энергии - многие красные фотоны должны были блокироваться. Таким образом, средний фотон имеет более высокую энергию, но суммарная энергия всех фотонов в свете ниже. Попадание на термометр неотфильтрованного красноватого света нагреет его больше, чем отфильтрованного синеватого света.

Эта потеря энергии верна, даже если у вас есть лазерный свет и вы преобразуете его в половину длины волны (например, 1064 нм в 532 нм) - в этом случае все входные фотоны имеют низкую энергию, а все выходные фотоны имеют высокую энергию, но вы потеряли много ( по крайней мере половина) фотонов в процессе, поэтому общая энергия (которая преобразуется в тепло поглотителем) такая же или обычно меньше (с некоторой потерей энергии во время преобразования, что приводит к нагреву преобразователя). В этом случае ап-конверсии (фотоны вылетают с более высокой энергией) вы также можете получить фотоэлектрический эффект с преобразованным светом, в то время как исходный не выбивает ни одного электрона из материала. Это не похоже на фильтры, которые просто блокируют некоторые длины волн - здесь фотоэлектрический эффект отфильтрованного света в большинстве случаев такой же, как и в исходном свете.

Как сказал @PabloH, одним из больших источников путаницы в вашем вопросе является повышение температуры обсуждения.

Есть два очень противоречивых определения: одно — это дихотомия теплого/холодного цвета, связанная только с человеческим восприятием, и ассоциация красного и желтого с солнцем и, следовательно, теплого и синего оттенка с тенями и холодом. Цветовая температура идет обратным путем и привязана к спектру излучения черного тела (как уже объяснялось в других ответах).

Теория цвета — очень, очень сложная тема, и, по общему признанию, она больше связана с психофизиологией, чем с физикой.

Краткий ответ: Да

Длинный ответ: если вы используете синий фильтр, вы пропустите фотоны только с более высокой энергией. Таким образом, зарегистрированная температура будет выше.

Первое, что вы должны знать, это то, что у света нет «температуры» и он не переносит «тепло». Знайте, что свет и тепло — это две разные формы энергии. Вас смущает способность световой энергии преобразовываться в тепловую энергию, то есть как солнце нагревает Землю, посредством электромагнитного излучения (света). Это делается с помощью процесса, известного как абсорбция.

Теперь, возвращаясь к вашему первоначальному вопросу, да, синий свет несет больше энергии, чем красный свет. Это не означает, что синий свет имеет более высокую «температуру», но что он имеет более высокую частоту (меньшую длину волны), следовательно, он имеет более высокую «способность» преобразовываться в тепловую энергию при поглощении. Однако это также зависит от еще одного условия — интенсивности света. Если красный свет имеет гораздо более высокую интенсивность по сравнению с синим светом, говорят, что он имеет более высокую энергию. Так обстоит дело с лазерами. Чтобы увеличить интенсивность света, нужно увеличить поток фотонов, то есть увеличить количество фотонов, проходящих в данный момент времени. Таким образом, пересмотр исходного утверждения будет следующим: «синий свет обладает большей энергией, чем красный свет при том же уровне интенсивности».

Что касается цветовых фильтров, то фильтр способен отображать определенный цвет, потому что он поглощает свет с противоположной длиной волны, и поэтому цвет, который не поглощается, виден. Это видно через колесо:

Так, например, если фильтр предназначен для красного света (то есть конечный видимый цвет — красный), зеленый свет поглощается, и, следовательно, виден красный цвет. Теперь в этом случае, поскольку свет, проходящий через фильтр, исходит из одного и того же источника, синий свет в этом случае будет иметь более высокую энергию, чем красный свет (поскольку интенсивность остается той же).

Свет не имеет температуры. «Температура» — это свойство массы, а поскольку фотоны не имеют массы, у них нет температуры. Фотоны могут быть преобразованы в тепло, когда они поглощаются каким-либо веществом, но это не то же самое, что сказать, что они сами имеют температуру.

Однако каждый фотон света имеет определенное количество энергии , которое пропорционально его длине волны и обратно пропорционально его частоте. Таким образом, низкочастотный фотон будет нести больше энергии, чем фотон с более высокой частотой. Но общая энергия в луче света зависит только от того, сколько энергии излучатель вложил в этот световой луч. Если луч состоит в основном из низкочастотных фотонов высокой энергии, то их будет меньше, так что общая энергия сохраняется.

Заметьте, я еще не упомянул цвет. «Цвет» создается исключительно нашими глазами и мозгом на основе комбинации всех фотонов, попадающих в одну точку на нашей сетчатке за короткий промежуток времени. На самом деле это довольно плохой способ характеристики частоты.

Представьте себе луч, полностью состоящий из «красных» фотонов с длиной волны 640 нм и «синих» фотонов с длиной волны 440 нм. Такой луч покажется человеческому глазу пурпурным, даже если он не содержит «пурпурных» фотонов. Теперь поместите синий фильтр на пути луча. Фильтр будет поглощать «красные» фотоны, позволяя «синим» фотонам проходить без изменений. Таким образом, интенсивность луча снижается, а воспринимаемый цвет смещается в сторону «чисто синего». Мишень будет меньше нагреваться при попадании на нее луча, потому что часть фотонов, которые должны были поразить ее, уже были поглощены (и превращены в тепло) фильтром.