Wird die Lichttemperatur durch Farbfilter beeinflusst?

Temperatur, Farbe und Energie haben alle unterschiedliche Bedeutungen.

Ein einzelnes „Photon“ hat eine zugehörige Energie, aber es ist irreführend, dies als Farbe zu betrachten. Drei Dinge, die (für die meisten Absichten und Zwecke) gleichwertig sind, sind Energie$E$, Wellenlänge$\lambda$und Frequenz$f$, die verwandt sind durch

Wo$c$ist die Lichtgeschwindigkeit und$h$ist die Plancksche Konstante. Beachten Sie, dass mit kleiner werdender Wellenlänge$E$wird größer.

Menschen haben drei Arten von Zapfenzellen (Farbwahrnehmungszellen) – rot, grün und blau, aber diese sehen nicht „nur“ rot, grün bzw. blau – sie werden auch von den anderen Wellenlängen in unterschiedlichem Maße angeregt.

Für einen Menschen erscheint eine Kombination aus 500-nm- und 660-nm-Licht gelb, aber dies ist physikalisch eine andere Situation als beispielsweise eine gelbe Natriumlampe, die hauptsächlich ≈580-nm-Photonen emittiert.

Licht von so etwas wie der Sonne oder einer Glühlampe ist noch komplizierter – das sind nahezu perfekte schwarze Körper, was bedeutet, dass sie in gewissem Maße auf allen Wellenlängen emittieren: Dies erregt alle drei unserer Zapfen gleichermaßen, was unser Gehirn als „weiß“ verarbeitet. . Der entscheidende Punkt ist, dass es kein "weißes" Photon gibt, sondern ein "blaues" Photon.

Die sich ändernde Farbe eines schwarzen Körpers, wenn er heißer wird, ist auf die Bewegung der "Spitzen"-Wellenlänge zurückzuführen, dh der Wellenlänge, bei der das meiste Licht emittiert wird, was für die Sonne etwa 500 nm beträgt. Wenn die Sonne heißer werden würde, würde sich der Gipfel nach links verschieben, wodurch mehr blaue Kegel und weniger rote Kegel angeregt würden. Wenn es kälter wird, verschiebt sich der Peak ebenfalls nach rechts (niedrigere Energie), wodurch die Sonne röter aussieht.

Das Endergebnis Alle Wellenlängen von Photonen tragen Energie, "weißes" Licht ist eine Mischung aus vielen Wellenlängen, und das Filtern dieser Mischung, um zB nur rotes Licht zu erhalten, führt dazu, dass sich der Filter aufheizt / die Energie an anderer Stelle reflektiert.

Licht hat keine Temperatur, sondern transportiert Energie mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Energie des Lichts bewirkt, dass sich Materie erwärmt, wenn sie zusammenwirken. Die gefilterte Energie bewirkt eine Erwärmung des Filters.

Aber ich bin verwirrt darüber, was diese verschiedenen Farben mit unterschiedlichen "Energien" bedeuten. Blauem Licht wird nachgesagt, dass es mehr Energie hat als rotes Licht.

Die Aussage „Blaues Licht hat mehr Energie als rotes Licht“ ist eine ungenaue Aussage. Eine genauere Aussage lautet: "Blaues Licht hat mehr Energie pro Photon als rotes Licht." Zu sagen, dass blaues Licht mehr Energie hat als rotes Licht, ist ein bisschen so, als würde man sagen, dass Gold mehr wiegt als Wasser.

Wenn ja, wohin geht die Wärme für energieärmere Farben – wird sie vom Filter absorbiert?

Wenn ein Filter Licht absorbiert, absorbiert es seine Energie. Sowohl ein Filter, der blaues Licht absorbiert, als auch ein Filter, der rotes Licht absorbiert, absorbiert Energie und verringert die Energie des Lichts.

Blaue Photonen (= Photonen mit ~420 nm Wellenlänge) haben eine höhere Energie als rote (= Photonen mit ~600 nm Wellenlänge). Das bedeutet, dass jedes einzelne absorbierte blaue Photon die Oberfläche tatsächlich stärker aufheizt, weil es ihr mehr Energie gibt. Aber zwei rote Photonen würden die Oberfläche stärker erwärmen als ein einzelnes blaues Photon. Photonen selbst "haben" keine Wärme, Wärme ist eine kollektive Folge der zufälligen Bewegung vieler Atome/Moleküle/...

Der photoelektrische Effekt im Video ist ein etwas anderes Phänomen als das Erhitzen des Materials, da Photonen ausreichend Energie benötigen, um Elektronen aus dem Material auszustoßen. Rotes Licht stößt möglicherweise keine Elektronen aus, egal wie viele Photonen auf das Material treffen, während blaues Licht auch dann auftritt, wenn Sie nur wenige Photonen haben (und daher eine geringere Erwärmung).

Die Lichttemperatur, zB wie bei "3000K" Glühbirnen, ist noch etwas anderes. Schwarzkörper gibt EM-Strahlung ab. Das Spektrum dieser Strahlung hängt von der Temperatur ab - sagen wir, etwas bei 3000 K hat einen Strahlungspeak bei ungefähr 1 Mikrometer Wellenlänge (nahes IR), während unsere Sonne bei ~ 6000 K einen Peak bei grünem Licht hat. Und diese Temperaturbezeichnung der Glühbirne bedeutet einfach "diese Glühbirne gibt Licht ab, das bei dieser Temperatur ungefähr ein ähnliches Spektrum wie der Körper hat" (Details zur Farbqualität werden übersprungen).

Sie können mit 3000K-Glühbirnen beginnen und dann Filter hinzufügen, um 6000K-Licht zu erhalten. Das erste Licht ist rot, das zweite blau. Aber obwohl Ihre herausfliegenden Photonen nach dem Filter blauer sind und daher im Durchschnitt mehr Energie haben, hat dieser Filter ziemlich viel Energie absorbiert (oder reflektiert; im Videofilter absorbiertes Licht) - viele rote Photonen mussten blockiert werden. Ein durchschnittliches Photon hat also eine höhere Energie, aber die Gesamtenergie aller Photonen im Licht ist niedriger. Das Leuchten von ungefiltertem rötlichem Licht auf das Thermometer würde es stärker erwärmen als das Leuchten von gefiltertem bläulichem Licht darauf.

Dieser Energieverlust gilt auch dann, wenn Sie Laserlicht haben und es auf die halbe Wellenlänge umwandeln (z. B. 1064 nm in 532 nm) - in diesem Fall haben alle Eingangsphotonen eine niedrige Energie und alle Ausgangsphotonen eine hohe Energie, aber Sie haben viele verloren ( mindestens die Hälfte) Photonen im Prozess, so dass die Gesamtenergie (die vom Absorber in Wärme umgewandelt wird) gleich oder normalerweise niedriger ist (wobei etwas Energie während der Umwandlung verloren geht und zu einer Erwärmung des Konverters führt). In diesem Fall der Aufwärtskonvertierung (ausfliegende Photonen mit höherer Energie) können Sie mit dem konvertierten Licht auch einen photoelektrischen Effekt erzielen, während das Original kein einzelnes Elektron aus dem Material wirft. Dies ist anders als bei Filtern, die nur einige Wellenlängen blockieren - dort ist der photoelektrische Effekt von gefiltertem Licht höchstens derselbe wie bei ursprünglichem Licht.

Wie @PabloH sagte, ist eine der großen Verwirrungsquellen in Ihrer Frage, die Diskussion in die Höhe zu treiben.

Es gibt zwei sehr widersprüchliche Definitionen: Eine ist die Dichotomie von warmen/kalten Farben, die nur an die menschliche Wahrnehmung gebunden ist, und die Assoziation von Rot und Gelb mit Sonne und daher Wärme und Blautönung mit Schatten und Kälte. Die Farbtemperatur geht in die entgegengesetzte Richtung und ist an das Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers gebunden (wie bereits in anderen Antworten erläutert).

Farbtheorie ist ein sehr, sehr komplexes Thema und hat zugegebenermaßen mehr mit Psychophysiologie als mit Physik zu tun.

Kurze Antwort: Ja

Lange Antwort: Wenn Sie einen Blaufilter verwenden, lassen Sie nur Photonen mit höherer Energie durch. Die registrierte Temperatur wird also höher sein.

Das erste, was Sie wissen sollten, ist, dass Licht keine „Temperatur“ hat und Licht keine „Wärme“ trägt. Wisse, dass Licht und Wärme zwei verschiedene Energieformen sind. Was Sie verwechseln, ist die Fähigkeit von Lichtenergie, sich in Wärmeenergie umzuwandeln, dh wie die Sonne die Erde durch elektromagnetische Strahlung (Licht) aufheizt. Dies geschieht durch einen Prozess, der als Absorption bekannt ist.

Kommen wir nun zu Ihrer ursprünglichen Frage: Ja, blaues Licht trägt mehr Energie als rotes Licht. Dies bedeutet nicht, dass blaues Licht mehr „Temperatur“ hat, sondern dass es eine höhere Frequenz (weniger Wellenlänge) hat, daher hat es eine höhere „Fähigkeit“, sich bei Absorption in Wärmeenergie umzuwandeln. Dies hängt jedoch auch von einer anderen Bedingung ab - der Lichtintensität. Wenn rotes Licht im Vergleich zu blauem Licht eine viel höhere Intensität hat, spricht man von einer höheren Energie. Bei Lasern ist dies der Fall. Um die Lichtintensität zu erhöhen, müssen Sie den Photonenfluss erhöhen, dh die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt passierenden Photonen erhöhen. Eine Überarbeitung der ursprünglichen Aussage wäre also "blaues Licht hat bei gleicher Intensität mehr Energie als rotes Licht".

Was den Farbfilter betrifft, so kann der Filter eine bestimmte Farbe anzeigen, da er das Licht der entgegengesetzten Wellenlänge absorbiert und daher die nicht absorbierte Farbe sichtbar ist. Dies kann durch das Rad gesehen werden:

Wenn der Filter beispielsweise für rotes Licht bestimmt ist (d. h. die endgültig sichtbare Farbe ist rot), wird grünes Licht absorbiert und daher ist Rot sichtbar. Da nun in diesem Fall das durch den Filter tretende Licht von derselben Quelle stammt, hätte das blaue Licht in diesem Fall eine höhere Energie als rotes Licht (da die Intensität gleich bleibt).

Licht hat keine Temperatur. "Temperatur" ist eine Eigenschaft der Masse, und da Photonen masselos sind, haben sie keine Temperatur. Photonen können in Wärme umgewandelt werden, wenn sie von einer Substanz absorbiert werden, aber das heißt nicht, dass sie selbst eine Temperatur haben.

Jedes Lichtphoton hat jedoch eine bestimmte Energiemenge , die proportional zu seiner Wellenlänge und umgekehrt proportional zu seiner Frequenz ist. Ein Photon mit niedriger Frequenz trägt also mehr Energie als eines mit einer höheren Frequenz. Aber die Gesamtenergie in einem Lichtstrahl hängt nur davon ab, wie viel Energie der Emitter in diesen Lichtstrahl gesteckt hat. Wenn der Strahl hauptsächlich aus niederfrequenten, hochenergetischen Photonen besteht, gibt es weniger davon, sodass die Gesamtenergie erhalten bleibt.

Beachten Sie, dass ich die Farbe noch nicht erwähnt habe. „Farbe“ entsteht ausschließlich in unseren Augen und unserem Gehirn, basierend auf der Kombination aller Photonen, die in kurzer Zeit auf einen Punkt auf unserer Netzhaut treffen. Es ist eigentlich eine ziemlich schlechte Art, die Frequenz zu charakterisieren.

Stellen Sie sich einen Strahl vor, der vollständig aus „roten“ Photonen von 640 nm und „blauen“ Photonen von 440 nm besteht. Ein solcher Strahl würde dem menschlichen Auge magenta erscheinen, obwohl er keine "magentafarbenen" Photonen enthält. Legen Sie nun einen Blaufilter in den Strahlengang. Der Filter absorbiert die „roten“ Photonen, während er die „blauen“ Photonen unverändert passieren lässt. Dadurch wird die Intensität des Strahls reduziert und die wahrgenommene Farbe zu einem "reinen Blau" verschoben. Das Ziel erfährt weniger Erwärmung, wenn es vom Strahl getroffen wird, da einige der Photonen, die es getroffen hätten, bereits vom Filter absorbiert (und in Wärme umgewandelt) wurden.