Warum leuchten Metalle nur rot, gelb und weiß und nicht über das gesamte Spektrum?

Die Physik, warum das erhitzte Metall wie ein schwarzer Körper glüht, wurde bereits in den vorherigen Antworten ausführlich behandelt. Um jedoch die Lücke zur Physiologie der Farbwahrnehmung (auf die in einigen Antworten angespielt wurde) vollständig zu schließen, lohnt es sich, ein Bild des Planckschen Locus zu zeigen :

^{Handlung von PAR, von Wikimedia Commons}

Dies ist die Menge aller Farben, die ein schwarzer Körper haben kann, aufgetragen in einer Farbtafel. Es wird berechnet, indem die Schwarzkörper-Emissionsformel mit den Farbanpassungsfunktionen kombiniert wird , die ein mathematisches Modell unseres Farbsehens sind.

Diese Grafik zeigt deutlich den Weg eines schwarzen Körpers, der heißer wird: Rot → Orange → Gelb → Weiß → Blau. Nun mag man sich fragen, durch welchen Zufall es genau in das Weiß trifft, anstatt etwas darüber (durch das Grün) oder darunter (durch das Purpur) zu gehen. Diese Frage ist jedoch rückständig. Die gute Frage wäre: „Warum haben wir uns entschieden, „Weiß“ eine Farbe des Planckschen Locus zu nennen“. Das ist die Frage der Definition von Weiß , und sie ist nicht einfach.

Im Physikerjargon wird der Name Weiß oft für ein „flaches Spektrum“ verwendet, also eines, bei dem die Leistung pro Frequenzeinheit nicht von der Frequenz abhängt. Wenn es jedoch um tatsächlich sichtbare Farben geht, hat es eine ganz andere Bedeutung:

• Eine Oberfläche wird als weiß bezeichnet, wenn sie fast das gesamte sichtbare Licht zurückwirft, das auf sie fällt.
• Licht wird als weiß bezeichnet, wenn es so aussieht, als ob das Licht typischerweise von einer weißen Oberfläche kommt.

Dies lässt den Begriff des weißen Lichts undefiniert: Das Licht, das von einer weißen Oberfläche kommt, hat das gleiche Spektrum wie das beliebige Leuchtmittel (dh Lichtquelle), mit dem es bestrahlt wurde. Dann könnte man das Licht eines beliebigen typischen Leuchtmittels gewissermaßen als „weißes Licht“ betrachten.

In der Praxis gibt es in der Farbwissenschaft einige sogenannte „ Normlichtarten “, die als weiß gelten. Vor allem D65 und D55. Diese sollen das natürliche Tageslicht nachbilden. Die Wahl von Tageslicht als Referenzlichtquelle liegt auf der Hand, da sich unsere Spezies in einer Welt entwickelt hat, in der Tageslicht schon immer die Standardlichtquelle und damit unsere natürliche weiße Referenz war.

Das Spektrum des Tageslichts variiert mit dem Wetter und der Höhe der Sonne über dem Horizont, aber es ist nie zu weit von einem Schwarzkörperspektrum entfernt. Was wahrscheinlich nicht sehr überraschend ist, da die Sonne selbst ein ziemlich guter schwarzer Körper ist.

Wenn Metalle (oder andere Materialien) sehr heiß werden, geben sie "Schwarzkörperstrahlung" ab. Komischer Name, denn auch „nicht schwarze“ Körper geben diese Wärmestrahlung ab. Aufgrund des Oberflächenemissionsgrads kann es einige (kleine) Abweichungen vom allgemeinen Gesetz geben, aber nicht so viele, dass Sie es bemerken würden.

Schwarzkörperstrahlung ist keine einzelne Wellenlänge, sondern ein breites Spektrum, das durch das Plancksche Gesetz gegeben ist. Ich habe in dieser früheren Antwort eine Reihe von Beispielen dafür gegeben . Ich werde nur eine der Kurven von dort reproduzieren:

Dies zeigt, dass die allgemeine Form der Emissionskurve immer gleich ist – das einzige, was sich ändert, ist die Position des Peaks (der einem 1/T-Gesetz folgt, das als Wiens Verschiebungsgesetz bekannt ist) und die Fläche unter der Kurve, die zunimmt mit der vierten Potenz der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz).

Wie ich bereits erwähnt habe, kann es bei einem "echten" Material aufgrund von Änderungen des Emissionsgrads mit der Wellenlänge zu einigen "Unebenheiten" im Spektrum kommen - aber meines Wissens reicht dies nicht aus, um das Erscheinen von Rot-Gelb-Weiß als zu stoppen die Dinge werden heißer. Wenn es jedoch sehr, sehr heiß wird, können sie blau erscheinen. Bei dieser Temperatur ist die Lichtintensität jedoch so groß (und mit so viel UV- und kürzerwelligem Licht), dass ich dringend empfehlen würde, nicht auf die Quelle zu schauen. Aber Sie können dies in der T=10000-Kurve oben sehen, die viel mehr blaues als rotes Licht enthält.

Wenn ich mich auf eine Farbe beziehe, z. B. grün, beziehe ich mich auf einen Wellenlängenbereich, der beim Eintritt in das Auge als Farbbereich wahrgenommen wird, abhängig von der Intensität jeder der Wellenlängen innerhalb dieses Bereichs, z. B. gelbgrün, grün, bläulich grün.

Das Schwarzkörper-Emissionsspektrum bei einer Reihe von Temperaturen ist unten gezeigt.

Die in der Grafik gezeigten Farben veranschaulichen die Farben, die unser Auge wahrnehmen würde, wenn es durch den von einer bestimmten Farbe abgedeckten Wellenlängenbereich beleuchtet würde.

Das Gehirn interpretiert die Informationen der Farbrezeptoren (Zapfen) und Sie nehmen eine Farbe wahr, die manchmal "unerwartet" sein kann.
Beispielsweise wird eine Kombination aus rotem und grünem Licht vom Auge als gelb wahrgenommen.

Bei einer Temperatur von$3000 \, \rm K$Die überwiegende Mehrheit des sichtbaren Lichts, das in das Auge eintritt, ist rot, und daher wird das Objekt als rot gesehen.

Mit zunehmender Temperatur gibt es mehr rotes Licht, aber auch orangefarbenes Licht, sodass sich die Farbe des Objekts ändert und von einem matten Rot zu einem viel helleren Rot wird.

Bei höherer Temperatur gibt es einen größeren Wellenlängenbereich, der die Zapfen stimuliert, und aufgrund dieses Bereichs bewegt sich die Farbe des Objekts in Richtung Weiß, nicht die einzelnen Farben, die emittiert werden.
Wenn Sie die Temperatur noch weiter erhöhen, wodurch die Proportionen der Farben ungefähr dem Objekt entsprechen, sieht das Objekt weiß aus.
Bei einer noch höheren Temperatur ist es sehr gefährlich, direkt auf das heiße Objekt zu schauen, da durch das ebenfalls austretende UV-Licht das Weiß bläulich sticht.

Ein in einem Induktionsofen erhitzter Metallstab zeigt die wechselnden Farben sehr gut.

Wenn Sie ein grünes, heißes Objekt sehen möchten, müssen Sie die roten und blauen Enden des Lichts aus dem Objekt herausfiltern.

Alle Wellenlängen sind in dem enthalten, was ihr "Weiß" nennt, also sind alle Wellenlängen da.

Die Entwicklung, die Sie beschreiben, ist die Entwicklung der Schwarzkörperstrahlung bei zunehmender Wärme.

Sie können im Link sehen , dass sich die Kurve mit zunehmender Temperatur nach links zu kleineren Wellenlängen bewegt.

Wenn die Temperatur eines Schwarzkörperstrahlers ansteigt, nimmt die abgestrahlte Gesamtenergie zu und die Spitze der Strahlungskurve verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen.

Hier ist die linke Seite eines schwarzen Strahlers, der ein heißes Metall ist.

Rückkörperstrahlung im sichtbaren Spektrum bei 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200 und 1250 K.

Wenn die Temperatur der Probe ansteigt, verschiebt sich das Spektrum nach links und es werden immer mehr Photonen mit höherer Energie freigesetzt.

Wenn die Wärme zunimmt, erscheinen auf der linken Seite immer mehr Photonen mit sichtbaren Energien, zuerst das Rot, dann das Gelb, und wenn die Temperatur im Spektrum Grün erreicht, sehen Sie bereits „Weiß“, denn so funktioniert die Farbwahrnehmung unsere Augen. Von da an ist es für unsere Wahrnehmung weiß.

Farbmischung

Die Kurven sind bei dieser Erfassungsebene fast flach, und bei Temperaturen, bei denen Metall weißglühend ist , ist die Anzahl der emittierten Photonen immer noch in Richtung Infrarot vorgespannt, es gibt immer mehr Photonen mit einer niedrigeren Frequenz als das nächste Band des Spektrums, also blau kann nicht über die "weiße" Suppe herrschen, die unsere Augen sehen.

Sollten nicht alle Wellenlängen nacheinander emittiert werden, wenn die Temperatur des Metalls zunimmt?

Die Schwarzkörperemission kann stark vereinfacht werden , da "wir mit den niedrigsten beginnen und dann mit zunehmender Temperatur immer energiereichere Wellenlängen hinzufügen". Deshalb nehmen Menschen „weiß“ wahr, wenn wir an dem Punkt angelangt sind, dass alles Sichtbare hinzugefügt wurde. Weiß ist das volle Spektrum.

Also geht es so:

• nur rot (wir nehmen rot wahr)
• rot und grün (wir nehmen gelb wahr)
• rot grün und blau (wir nehmen weiß wahr)

Wenn Sie Blau und Grün sehen wollten, müsste es zuerst aufhören , Rot zu emittieren. Und so funktioniert es nicht, die Quantenmechanik erklärt warum.

Das ist natürlich eine grobe Vereinfachung. Andere Antworten zeigen, dass die Emissionskurve mit steigender Temperatur nicht nur breiter wird (was ich hier beschrieben habe), sondern auch leicht nach oben verschoben wird (was OP erwartet hat). Aber der erste Effekt ist groß, während der andere im Vergleich dazu klein ist, sodass die Verbreiterung in Weiß dominiert. Nur bei den heißesten der heißen (wie Bogenlampen) kommen wir an den Punkt, an dem wir beginnen, das Licht als „leicht bläulich“ wahrzunehmen.

Auch besteht keine Notwendigkeit, sich auf Metalle zu beschränken. Das einzige an Metallen ist, dass man sie nicht richtig heiß machen kann. Was versehentlich dazu führt, dass das Experiment ungefähr genau dort stoppt, wo das Weiß am schönsten ist.

Ich habe eine Figur gemacht, um zu unterstreichen, was meiner Meinung nach die wichtigsten Punkte sind, um zu verstehen, warum Schwarzkörperstrahlung niemals als grün wahrgenommen wird:

• Die Breiten und die Abstände zwischen den spektralen Empfindlichkeitskurven der menschlichen Zapfenzellen sind viel kleiner als die Breite der Planck-Kurve .
• Der grüne Kegel (M-Kegel) ist der "mittlere", während die roten und blauen Kegel (L- und S-Kegel) jeweils am weitesten zu einer Seite des sichtbaren Spektrums verschoben sind.

Dies hat zur Folge, dass es unmöglich ist, den M (grün)-Zapfen mit Schwarzkörperstrahlung anzuregen, ohne auch entweder den L (rot) oder den S (blau)-Zapfen in ähnlichem oder stärkerem Maße anzuregen.

Die Schwarzkörperstrahlungen, die wir am meisten als rot und blau wahrnehmen, haben eigentlich nicht ihren Höhepunkt, wo die L- und S-Zapfen in ihrer Empfindlichkeit ihren Höhepunkt erreichen. Die Empfindlichkeitsspitze des L-Kegels liegt herum$570$nm, während die S-Kegel-Empfindlichkeit ihren Höhepunkt erreicht$442$nm. Unter Verwendung des Wienschen Verschiebungsgesetzes finden wir, dass die Schwarzkörperstrahlungen für$\sim 5100$K und$\sim 6550$K würde bei diesen Wellenlängen einen Spitzenwert erreichen. Aber in dieser Abbildung ( aus Wikipedia ), die die wahrgenommene Farbe der Schwarzkörperstrahlung für verschiedene Temperaturen zeigt, können wir sehen, dass diese beiden Temperaturen als mehr oder weniger weiß wahrgenommen würden.

Die meisten roten und blauen Schwarzkörperstrahlungen erreichen stattdessen Spitzenwerte bei viel längeren und kürzeren Wellenlängen. Dies sind stattdessen die Planck-Kurven, für die die Steigung zwischen den Spitzen der spektralen Empfindlichkeitskurven am steilsten ist, was den maximalen Stimulationskontrast zwischen den verschiedenen Zäpfchentypen erzeugt.

Eine wichtige Sache, die es zu beachten gilt, wie es Galinette in einem Kommentar tat, ist, dass Metalle verdampfen, sobald sie warm genug werden, um eine erhebliche Menge an Schwarzkörperstrahlung im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren. Wie von anderen gepostete Diagramme zeigen, würde ein Metall Licht emittieren, das um 5000 K als weiß wahrgenommen wird. Es müsste wärmer sein, damit das Diagramm so angeordnet ist, dass die emittierte Strahlung im sichtbaren Teil des Spektrums blau erscheint. Eisen zum Beispiel hat einen Schmelzpunkt von 1811 K und einen Siedepunkt von 3134 K. Wenn Eisen so warm wird, dass es einen blauen Farbton bekommt, könnte man es nicht sehr lange sehen.