辐射、黑体和色温都是什么？

辐射、黑体和色温都是什么？

辐射、黑体和色温是物理学中的重要概念，它们之间存在着密切的联系。本文将从辐射的分类开始，逐步介绍黑体辐射的规律以及色温的概念，帮助读者建立对这些物理现象的全面理解。

一、辐射分类

辐射分为电离辐射和非电离辐射，其中非电离辐射包含光辐射、电磁辐射、热辐射等，这是广义上的辐射。
狭义上的辐射可以专指热辐射，因为它具有区别于其他直观辐射的明显特征。热辐射描述的是任何温度高于绝对零度的物体都在不断向外界辐射各式频率的电磁波，其辐射的特性与受热温度有直接的关系，所以称之为热辐射。

二、普朗克黑体辐射公式

任何物体都可向外界反射、散射、辐射电磁波、为了单独研究物体的热辐射规律，科学家们设想出一个可以完全吸收电磁波而不发生任何发射的物体，其能量的释放只能以热辐射的形式向外发射电磁波，这便是理想中的黑体。

图1 理想黑体模型

描述黑体辐射的三种形式：

1. 维恩公式
2. 瑞利-金斯公式
3. 普朗克公式

图2 实验数据VS理论计算

在短波区域，维恩曲线与实验曲线重合度较高；在长波区域瑞利-金斯曲线与实验曲线吻合较好，但在高频部分，瑞利-金斯曲线辐出度却趋于无穷大，这便是“紫外灾难”；相反，普朗克曲线在全光谱区域都和实验曲线完全吻合。为什么会出现这样的现象？，事实上这是因为维恩公式和瑞利-金斯公式都是建立在经典统计物理的基础之上，认为能量是连续的，而普朗克公式则是建立在能量量子化的基础之上，提出了光量子的概念。普朗克公式也为后续量子光学的发展铺平了道路。

三、黑体辐射规律

黑体辐出度和辐射峰值波长均与黑体的温度密切相关。随着黑体温度的升高：

I、各频率波长的辐射强度都在增大；
II、辐射的峰值波长在向短波方向移动。

图3 黑体辐射曲线

我们用黑体的辐出度公式和维恩位移定律来描述以上两个规律：

①黑体的辐出度：
辐出度可以理解为辐射曲线与横轴所夹的面积，温度越高，辐射能量就越强；

②维恩位移定律：
辐射峰值波长与黑体温度成反比关系，即温度越高，辐射峰值波长越向短波方向移动。

四、非理想黑体的辐射特性

黑体辐射具有一定的光谱分布，辐射的光谱分布取决于黑体的温度，黑体只是一个理想模型，实际上自然界没有绝对意义上的黑体（即不存在吸收、反射和散射），但是任何物体都具有黑体的性质，黑体的辐射规律对自然界的任何物体均适用。

我们知道辐射的存在是因为有热，在自然界中，绝对零度（0开尔文=-273.15℃）以上的物体均会对外产生电磁辐射。注：热力学温度T（K）和摄氏温度t（℃）的换算关系为t（℃）=T（K）-273.15℃。

太阳就可近似为一个黑体，太阳的色温大约是5500K，从黑体辐射曲线来看，太阳辐射光谱主要落在可见光区域，所以我们看到太阳发出的光为白光（复色光）。在日常生活中，动物或人体的温度通常在300K左右，所以辐射的波长以红外线为主，在夜间漆黑的环境中，我们可以用红外热像仪观察到肉眼所看不见的有温物体，这是因为红外热像仪探测的是有温物体辐射的红外电磁波。

图4 夜间人体和动物的红外成像

五、色温

黑体辐射出的电磁波都具有一定颜色，为了更好的研究一个发光源的发光颜色，我们引入色温的概念。我们知道，一个理想黑体在受热后，其辐射光的颜色将由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。比如持续高温加热一个铁块，铁块的颜色将由红色逐渐过度为白色（具体变化过程：黑色→红色→橙色→黄色→白色→蓝色），这正是铁块热辐射波长向短波移动的表现。

图5 加热中的铁块

当加热黑体到一定的温度（辐射波的峰值波长进入到可见光波段），其发出光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，色温单位为开尔文（K）。

色温通常用来描述光源，定义为：
某个光源所发射光的颜色与黑体在某一温度下的辐射光色相同时，则黑体的温度就称为该光源的色温。

图6 色温与光源颜色的关系

色温值越高画面越偏冷色调，色温值越低画面越偏暖色调，这与人体对环境颜色和温度的感知恰好相反。

以上就是关于辐射、黑体和色温之间的联系。