3. Значение квантов света в крупном масштабе

Связь между температурой и длиной волны

Испускание или поглощение квантов света происходит на атомном уровне. Однако существование квантов имеет значение и для нашего масштаба в повседневной жизни.

Снова возьмем дорогой сердцу Планка пример черного тела, которое испускает свет: мы видели, что многие предметы вокруг нас ведут себя почти как абсолютно черные тела. Предположим, что температура тела повышается: это значит, что средняя энергия атомов тоже увеличивается. Таким образом, эти атомы в среднем испускают кванты света большей энергии: поскольку Ε = hν, это значит, что излученный свет в среднем имеет более высокую частоту.

Напомним, что более высокая частота соответствует более низкой длине волны ν= c/λ: так, пропорция коротких длин волны тем больше, чем выше температура (что показано на рис. 22.1).

При довольно низкой температуре (скажем, 37 °C) испускание происходит в основном в инфракрасном секторе (большая длина волны). Это касается нашего тела и всего, что нас окружает. Мы не светимся ночью, потому что не излучаем видимого света, но продолжаем испускать электромагнитные волны, как солнце.

Влияние горячих тел на цвет

Посмотрим на железный прут в литейной мастерской: при обычной температуре он испускает инфракрасные волны (его видно в темноте). По мере того как мы будем его нагревать, прут будет испускать волны все более короткие, пока не достигнет предела видимого света: железный прут начинает краснеть.

Продолжим нагрев: максимум излучения сдвинулся от красных к синим волнам (от длинных к коротким). Таким образом, цвет прута должен был постепенно меняться от желтого к зеленому, пока не стал бы синим; однако если мы посмотрим на прут, то увидим, что он стал ослепительно-белым. Это объясняется просто: когда максимум излучения в зеленом диапазоне, это не значит, что прут испускает только зеленые волны. Он также испускает синий и красный цвета, хотя и в более слабой пропорции. То есть здесь присутствует смесь вех цветов, которые доходят до нашего глаза в виде белогоцвета.

Затем белый цвет становится все более ослепительным: и действительно, когда мы повышаем температуру, повышается не только средняя частота излучения, но также интенсивность излучения. Если мы можем увеличить температуру до 8000 °C, цвет прута станет не только невыносимым, но и приобретет синевато-белый оттенок: пропорция синего будет все выше. Впрочем, железо плавится при гораздо более низкой температуре.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Чтобы испускать видимый свет, достаточно сильно нагреть вещество. Это просто сделать в электричестве: мы видели, что простое сопротивление рассеивало энергию в тепловой форме («эффект Джоуля»), когда по нему проходил электрический ток. Именно это свойство используется в электроплитах и электропечах.

В таких печах можно видеть, как внутри краснеют нагревающие сопротивления: их температура становится достаточной, чтобы испускать видимый свет, а не инфракрасное излучение. Достаточно пропустить ток еще большей силы, чтобы еще повысить температуру. Тогда излучение становится зеленым и желтым, а не только красным: с одной стороны, излучаемый свет становится желтым, с другой стороны, световая интенсивность становится выше.

Таков же принцип действия лампы накаливания, которая есть не что иное, как маленькое сопротивление, через которое проходит сильный электрический ток. То есть необходимо устойчивое вещество, проводник с высокой температурой плавления (оно не должно плавиться, несмотря на высокую температуру нагрева).

Таким веществом является вольфрам, потому что у этого металла самая высокая температура плавления (3400 °C). Отметим также, что внутри лампы необходимо создать вакуум, чтобы вольфрам самопроизвольно не возгорелся при контакте с двухатомным кислородом воздуха из-за высокой температуры (мы подробно опишем этот феномен возгорания в главе 25).

С точки зрения энергии мы можем констатировать, что ее потери в лампе накаливания весьма значительны: чтобы сильно разогреть вещество, необходимо огромное количество тепловой энергии, чтобы создать световую энергию (лампы нагревают вашу комнату).

По этой причине от ламп накаливания сейчас отказываются в пользу ламп холодного свечения, чей механизм светоиспускания не связан с увеличением температуры. Энергетическая отдача становится менее затратной.

Это объясняет сияние звезд на небе: Солнце имеет бело-желтый цвет, потому что его температура составляет 5500 °C, что соответствует максимуму излучения в желтом цвете. Некоторые звезды имеют красноватое сияние, такие как Бетельгейзе или Антарес: температура их поверхности ниже. Другие звезды имеют синеватый цвет, такие как Ригель или Сириус: они самые горячие.

Чтобы получить видимый свет, необходимо значительно повысить температуру: температуры на Земле заставляют большинство природных объектов испускать инфракрасные волны. Если одно тело теплее другого, оно испускает более короткие волны, но интенсивность его излучения выше: то есть оно испускает больше инфракрасных лучей. По этой причине инфракрасное излучение ассоциируется у нас с теплотой: «чем теплее тело, тем сильнее инфракрасное излучение». Инфракрасные камеры основаны на этом принципе. Но в действительности мы видим, что теплота вовсе не связана с инфракрасным излучением: видимый свет соответствует еще более высокой температуре.