天天看點

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

太陽是太陽系中唯一一顆能夠自主發光發熱的天體,它所釋放的能量來自于其内部的氫核聚變,那麼這顆熊熊燃燒的大火球表面到底有多少度呢?約為5500攝氏度。

目前世界上已知的熔點最高的物質是铪的化合物,也就是五碳化四钽铪,其熔點達到了4215攝氏度。可見,沒有任何已知的物質可以經得起太陽表面高溫的炙烤,既然如此,太陽表面的溫度,我們又是如何測量出來的呢?其實就是依靠紅外線測溫法,嚴謹一點來說也可以稱之為電磁波測溫法,現在我們測量體溫所使用的紅外線測溫儀其實也是相同的原理。那麼為什麼依靠紅外線就能夠測出物體表面的溫度呢?紅外線到底是什麼呢?

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

紅外線是一種光,一種波長在760納米到1毫米之間的光。

既然紅外線是光,那我們就要從光的組成說起。平日裡我們所見的日光基本上是白色的,但這并不是因為日光本身就是白色的,這種白色的光是由多種顔色的光組合而成的。在雨後,由于空氣中充滿了細小的水珠,而光照射到水中會發生折射,于是原本呈現白色的日光就會被拆分為7種顔色不同的光,這就是光的色散。最早發現光的色散原理的人是著名的實體學家牛頓。牛頓将一道白光照射到三棱鏡上,光在穿透三棱鏡後就會由一道白光變為一束層次分明的彩色光線,并且這束光線總是呈現出赤橙黃綠青藍紫的順序。

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

白色的光在穿透三棱鏡之後為什麼就會變為一束彩色的光線呢?

是因為白光中本來就包含了不同顔色的光,還是光與三棱鏡發生了某種反應之後産生了彩色的光呢?為了得到答案,牛頓又将彩色的光束通過凸透鏡進行彙聚,然後讓它們再次穿過三棱鏡,結果這束彩色的光又重新彙聚成了一道白光,事實證明白光是一種複合光,它是由多種元素的光組合而成的。當白光照射到三棱鏡或者水中時會發生折射,而不同的光由于波長不同,是以折射率也不相同,是以在折射之後它們就被按照赤橙黃綠青藍紫的順序分開了,這就是光的色散。

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

牛頓雖然發現了光的色散,但并沒有發現紅外線,發現紅外線的人是後來的英國天文學家赫歇爾。

陽光照射到物體上會緻使物體升溫,既然陽光可以色散為7種顔色,那麼哪一種顔色的光能夠讓物體升溫更快呢?為了弄清楚這一問題,赫歇爾進行了一次實驗,他将日光色散為一束七彩光線,并在每一個光線照射的地方放上了一個溫度計,并且也在紅色的光前面沒有被照射到的地方放置了一個溫度計。實驗結果出乎意料,升溫最快的竟然是最前面那個沒有被光照射到的溫度計。為什麼會這樣?其實那個溫度計并不是沒有被照射到,隻是照射它的光,我們看不到,這道看不見的光就是紅外線。

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

在後來的研究中,人們逐漸發現一切物體都會向外輻射電磁波,而所輻射的電磁波的波長與物體的溫度有着密切的關系。

物體的溫度越高,向外輻射的電磁波就越向短波段靠攏。舉例而言吧,日常我們所見的大多數物體溫度都不是很高,是以它們所輻射的電磁波都處于波長較長的紅外線波段,是以我們看不見它們所發出的光,隻有使用紅外線夜視儀才能夠看到。但如果我們将一個物體不斷加熱,比如一個鐵塊,随着它的溫度升高,它所輻射的電磁波就會進入波長較短的可見光波段,于是我們就會看到鐵塊變紅、變橙,乃至變黃。

5500攝氏度,太陽表面溫度怎麼測出來的?依靠紅外線測溫法

既然物體向外輻射電磁波的功率與溫度有關,那麼二者的關系應該如何描述呢?

奧地利實體學家斯特藩和玻爾茲曼經過研究最終得出了一個定律,也就是“斯特藩-玻爾茲曼定律”。根據這一定律,一個物體機關面積的輻射功率就等于絕對溫度乘以“斯特藩-玻爾茲曼常數”,這個常數取值5.67X10∧-8。有了這個定律之後,要想得知一個物體的溫度就非常容易了,隻需要測量一下這個物體機關面積的電磁波輻射功率,然後代入公式,就可以計算出物體的溫度,太陽表面的溫度就是這樣計算出來的。嚴謹一點來講,這種測溫法應該叫做電磁波測溫法,但由于日常我們測量的物體,比如人體,所輻射的電磁波都處于紅外線波段,是以又稱紅外線測溫法。

繼續閱讀