Schwarzkörperstrahlung: Warum kann sie gelb leuchten?

Bei der Schwarzkörperstrahlung wird je nach Temperatur des Strahlers Licht unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Anteilen emittiert.

Diagramme der spektralen Strahldichte gegen die Wellenlänge für verschiedene Farbtemperaturen sehen wie folgt aus:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es wird gesagt, dass sich die Farbe der Strahlung (als Ganzes) auf vorhersagbare Weise ändert. Farbproben bei verschiedenen Temperaturen :

  • 1000K Rot
  • 1500K Rotorange
  • 2000K Gelbliches Orange
  • 2800K Gelb
  • 3500K Gelbliches Weiß
  • usw

Andere behaupten, dass das sichtbare Licht bei 5000 K gelb erscheint.

Abgesehen von der genauen Temperatur besteht der Konsens darin, dass "[a] wenn seine Temperatur weiter ansteigt, es leuchtend rot, orange, gelb, weiß und schließlich blau-weiß wird".

Wenn wir jedoch einen Blick auf die Grafik werfen, scheint es, dass der schwarze Körper selbst dann, wenn die „gelbe“ Temperatur erreicht ist, neben Gelb ziemlich viel rote und orange Wellenlängen emittieren sollte.

Es könnte sein, dass die genauere Formulierung lautet: "Es wird zuerst rot, dann orange (rot + gelbes Licht) und schließlich weiß (rot + gelb + blau sieht für das Auge weiß aus)".

Aber Standard-Highschool-Einführungsmaterial und der Wikipedia-Artikel scheinen darauf hinzuweisen, dass die wahrgenommene Farbe irgendwann ein (reines) Gelb sein kann (2800K im oben verlinkten Artikel oder 5000K aus dem Highschool-Material).

Ist das nur eine Frage der Wahrnehmung (wir sehen verschiedene Wellenlängen, aber unser Gehirn kombiniert die RGB-Daten der Zapfen in den Augen zu „Gelb“) oder gibt es eine andere Erklärung dafür, warum wir (theoretisch) ein reines gelbes Licht sehen können? emittierte Schwarzkörperstrahlung geeigneter Temperatur?

Verwandte Fragen, die meine Frage nicht beantworten:

Diese Frage befasst sich allgemein mit Schwarzkörperstrahlung, aber nicht mit der spezifischen Frage, wie eine „reine“ Farbe wahrgenommen werden kann, wenn die sichtbaren Emissionen aus einer Sammlung von Wellenlängen stammen (z. B. Rot + Orange + Gelb, die zusammen als reines Gelb wahrgenommen werden).

Diese Frage befasst sich mit der Farbwahrnehmung durch ein Zusammenspiel zwischen emittiertem und absorbiertem/reflektiertem Licht.

Reines Gelb oder was auch immer für eine Farbe passt sowieso nicht zur BB-Emission. Es gibt keine Möglichkeit, "rein" so zu verwenden, wie Sie es in der Frage getan haben. Alles andere ist Physiologie. Anstelle von Gelb ist das, was wir von einem BB nicht wahrnehmen können, Grün. Irgendwie brauchen wir eine höhere Reinheit, um Grün zu sehen (wahrscheinlich, weil es in der Mitte ist).
Ich fürchte, ich kann keine Quelle zitieren, aber ich habe einmal gelesen, dass das Auge normalerweise eine unreine Farbe (breite Streuung der Wellenlängen) nicht von einer reinen Farbe (sehr enge Streuung) unterscheiden kann, die auf die „richtige“ Wellenlänge in der zentriert ist weit verbreitet.

Antworten (2)

Ihre "genauere Formulierung" ist in der Tat genau richtig.

Sie können die Spur eines schwarzen Körpers auf einer Farbkarte darstellen. Hier ist es (von der Wikipedia-Seite über schwarze Körper). Ja, die Farbpalette reicht von rötlich bis bläulich-weiß, durch eine gelblich/orangefarbene Region. Es gibt keine "reine Farbe", und Schwarzkörperstrahlung wird bei jeder Temperatur über einen weiten (unendlichen) Wellenlängenbereich emittiert.

Ich glaube nicht, dass es einen Konsens darüber gibt , welche Namen man dem Auftreten von Schwarzkörperstrahlung geben soll, nicht zuletzt, weil die vom Auge wahrgenommene Farbe auch von der Intensität des empfangenen Lichts (dh Photonen pro Flächeneinheit) abhängt die Rückseite der Netzhaut - der Unterschied zwischen photopischem und skotopischem Sehen. Wenn die Schwarzkörperoberfläche jedoch groß / nah genug ist, um vom Auge aufgelöst zu werden, ist diese Zahl ungefähr konstant, und ich denke, das soll die Farbkarte in diesem Fall darstellen.

Planksche Kurve auf Farbkarte

Für eine gegebene Temperatur ist die Intensität eines schwarzen Körpers festgelegt. Die vom Auge wahrgenommene Farbe kann nur von der Temperatur abhängen.
@Alfred nicht wirklich: Die chromatische Anpassung beeinflusst die Wahrnehmung.
@Alfred Die relevanten Phänomene sind photopisches, mesopisches und skotopisches Sehen. Diese hängen tatsächlich von dem am Auge empfangenen Fluss ab . Ihre Aussage gilt nur für das Betrachten einer Schwarzkörper- "Wand", bei der dieser Fluss tatsächlich konstant wäre, egal wie weit die Wand entfernt ist. In der realen Welt haben schwarze Körper keine unendliche Größe. Wenn sie also weit entfernt sind, nimmt der am Auge empfangene Fluss ab. Dadurch ändert sich die wahrgenommene Farbe. Aus diesem Grund erscheinen schwache Sterne weiß und hellere Sterne können farbig erscheinen. physical.stackexchange.com/a/169986/43351
@Alfred dh es ist die spezifische Intensität (Watt pro Quadratmeter pro Hertz pro Steradiant ), die durch die Planck-Funktion festgelegt wird, nicht der Fluss (Watt pro Quadratmeter pro Hertz) am Auge.
@Profrob OK, ich habe mich geirrt, aber nicht aus dem Grund, den Sie angeben. Die Farbe jedes Teils der Sonne ist gleich, und wenn Sie nur einen Teil der Sonne durch eine kleine Öffnung in etwa 1 m Entfernung betrachten, wird ein kleinerer Bereich Ihrer Netzhaut verbrannt, aber er wird ihn so gründlich verbrennen, als ob Sie ihn betrachten würden ganze Sonne. Was die Wahrnehmung tatsächlich verändern würde, wäre, Ihre Pupille noch mehr zusammenziehen zu können, um den Raumwinkel des Flusses zu verringern, der jedes Neuron Ihrer Netzhaut erreicht. Also nicht der Fluss, der pro Flächeneinheit an Ihrem Auge empfangen wird, sondern der Raumwinkel, der Ihre Netzhaut von der Öffnung Ihrer Pupille erreicht.
@Profrob Aber ja, für einen schwarzen Körper, der viel kühler als die Sonne ist, rötlich, nehme ich an, dass es in jedem Auge ein anderes Rot aussehen kann, wenn Sie Atropin in ein Auge und nicht in das andere geben. Aber das Ändern seiner Größe oder seines Abstands wird die wahrgenommene Farbe nicht ändern.
@Probrob Und deshalb ist es so gefährlich, eine Sonnenfinsternis ohne Schutz zu beobachten. In normalen Situationen können Sie einige Sekunden lang in die Sonne schauen. Es hinterlässt ein Nachbild, das aber reversibel ist, weil sich die Pupille zusammenzieht. Bei einer Sonnenfinsternis ist der sichtbare Raumwinkel der Sonne viel kleiner, die Pupille öffnet sich im Dunkeln. Selbst ein sehr kurzer Blick (wie Sie es tun, wenn Sie die ganze Sonne betrachten und sich schnell wegbewegen) kann einen dauerhaften Schaden verursachen.
@Alfred Wenn Sie die Sonne 1000 Lichtjahre entfernt platzieren, erscheint sie mit bloßem Auge weiß. Die Anzahl der pro Sekunde empfangenen Photonen reicht nicht aus, um die Farbreaktionszellen auszulösen. Es gibt viele Sterne da draußen, auf die Sie heute Abend schauen können, um die Wahrheit darüber zu ermessen. Ihre Spektren sind von der Form her immer noch (ganz grob) die eines schwarzen Körpers.
@Profrob Ich vergleiche einfallende Raumwinkel, die von Ihrer Netzhaut "messbar" sind, ganze Sonne mit einem "Sonnenquadrat" der Seite, sagen wir 1/10 Grad: gleiche wahrgenommene Farbe, wenn die Öffnung der Pupille bestimmt wird durch das "Ambiente" Tageslicht. Sobald man zu einem extrem kleinen einfallenden Raumwinkel kommt, wie bei Sternen, so dass der Fluss, der jede Zelle der Netzhaut erreicht, extrem klein wird (obwohl die Pupille vollständig erweitert ist), können tatsächlich Zapfen überhaupt nicht reagieren, nur Stäbchen. Überhaupt keine Farbe wahrgenommen.
@Alfred gut, ja. Verzeihen Sie mir, dass ich Astronom bin – das sind die einzigen „schwarzen Körper“, mit denen ich arbeite. Der Unterschied besteht darin, dass die Bildgröße auf der Netzhaut auch bei zunehmender Entfernung fest bleibt. Sie betrachten Situationen, in denen die Bildgröße mit dem Raumwinkel der Quelle skaliert wird. Es gibt zwei Regime. Ich werde überlegen, wie ich meine Formulierung ändern kann.
@Profrob Das Argument von dir, dem ich widersprechen wollte, war die "unendliche Wand" des schwarzen Körpers. Ein schwarzer Körper, der aus einem Raumwinkel von 1/10 Steradiant oder 1/10.000 Steradiant (sehr, sehr grob, die Sonne) oder 1/1000.000 Steradiant (immer noch angemessen für eine Person, die nicht kurzsichtig ist, oder mit Brillengläser, die gut an die Myopie angepasst sind) haben die gleiche Farbe. Viel weniger als das ist ein anderes Problem.
@Alfred - ja, ich stimme diesen Zahlen zu. Aber es ist immer noch so, dass es auf die Anzahl der Photonen pro Flächeneinheit an der Rückseite der Netzhaut ankommt (im Gegensatz zu vielleicht am Auge).
@ProfRob Dem stimme ich zu: Die Farbwahrnehmung würde tatsächlich von der Anzahl der Photonen pro Flächeneinheit auf der Rückseite der Netzhaut abhängen, ich habe mich geirrt.
@ProfRob Wenn das skotopische Sehen dominiert oder sogar wichtig wird, ändert sich die Farbwahrnehmung. Aber auf dieser Wiki-Seite en.wikipedia.org/wiki/Photopic_vision gibt es eine einzige Kurve für die Leuchtkraftfunktion in Bezug auf die Wellenlänge für einen großen Bereich der Leuchtdichte, 10 Zu 10 8 C D / M 2 . Sofern der schwarze Körper nicht unter einem so kleinen Raumwinkel gesehen wird, dass das skotopische Sehen eine Rolle spielt, sollte die wahrgenommene Farbe weder von diesem Raumwinkel noch vom Raumwinkel der Pupille abhängen, wie sie von dem Teil der Netzhaut aus gesehen wird, der das Licht empfängt , aber nur von der Temperatur des schwarzen Körpers.
@ProfRob Andererseits könnte die Kurve von der Leuchtdichte abhängen, selbst innerhalb des riesigen Leuchtdichtebereichs, in dem das photopische Sehen dominiert, ist Wiki nicht allwissend. Eine Möglichkeit, dies zu entscheiden, wäre, sagen wir, ein glühendes Stück Metall in einer ziemlich hellen Umgebung nur mit Atropin (oder besser gesagt mit den neuen Arten von sichereren Augentropfen, die Augenärzte in Ihre Augen geben, um auf Ihre Netzhaut zu schauen) hinein einem Auge, um zu prüfen, ob die wahrgenommene Farbe in beiden Augen gleich ist oder nicht. Wenn nicht, würde es die Beziehung zwischen SI-Einheiten nichtlinear machen, für eine bestimmte Wellenlänge sind cds nicht proportional zu Watt!
@Alfred Alle außer den hellsten Sternen sehen weiß aus. Wenn man sie durch ein Teleskop betrachtet, werden sie farbig.
@ProfRob Dies ist der Übergang zwischen skotopischem und photopischem Sehen. Ich habe das nie bestritten. Der Punkt ist, wenn man sich innerhalb des riesigen Bereichs des photopischen Sehens befindet, von der Leuchtdichte, wo der skotopische Beitrag vernachlässigbar wird, bis zu dem Punkt, an dem man sich die Netzhaut verbrennt, dazwischen 10 Und 10 8 C D / M 2 , für eine gegebene Wellenlänge, sind Candela und Watt proportional oder nicht? Wenn ja, hängt die wahrgenommene Farbe eines schwarzen Körpers nur von der Temperatur innerhalb dieses Bereichs ab . Wenn nicht, ist die SI-Definition einer Candela bedeutungslos, was unter Ihnen und mir durchaus möglich, aber ein Problem ist!
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