太阳表面温度5500摄氏度是怎么测量出来的 依靠红外线测温法?

太阳是太阳系中唯一一颗能够自主发光发热的天体,它所释放的能量来自于其内部的氢核聚变,那么这颗熊熊燃烧的大火球表面到底有多少度呢?约为5500摄氏度。

目前世界上已知的熔点最高的物质是铪的化合物,也就是五碳化四钽铪,其熔点达到了4215摄氏度。可见,没有任何已知的物质可以经得起太阳表面高温的炙烤,既然如此,太阳表面的温度,我们又是如何测量出来的呢?其实就是依靠红外线测温法,严谨一点来说也可以称之为电磁波测温法,现在我们测量体温所使用的红外线测温仪其实也是相同的原理。那么为什么依靠红外线就能够测出物体表面的温度呢?红外线到底是什么呢?

5500摄氏度,太阳表面温度怎么测出来的?依靠红外线测温法

红外线是一种光,一种波长在760纳米到1毫米之间的光。

既然红外线是光,那我们就要从光的组成说起。平日里我们所见的日光基本上是白色的,但这并不是因为日光本身就是白色的,这种白色的光是由多种颜色的光组合而成的。在雨后,由于空气中充满了细小的水珠,而光照射到水中会发生折射,于是原本呈现白色的日光就会被拆分为7种颜色不同的光,这就是光的色散。最早发现光的色散原理的人是著名的物理学家牛顿。牛顿将一道白光照射到三棱镜上,光在穿透三棱镜后就会由一道白光变为一束层次分明的彩色光线,并且这束光线总是呈现出赤橙黄绿青蓝紫的顺序。

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白色的光在穿透三棱镜之后为什么就会变为一束彩色的光线呢?

是因为白光中本来就包含了不同颜色的光,还是光与三棱镜发生了某种反应之后产生了彩色的光呢?为了得到答案,牛顿又将彩色的光束通过凸透镜进行汇聚,然后让它们再次穿过三棱镜,结果这束彩色的光又重新汇聚成了一道白光,事实证明白光是一种复合光,它是由多种元素的光组合而成的。当白光照射到三棱镜或者水中时会发生折射,而不同的光由于波长不同,所以折射率也不相同,因此在折射之后它们就被按照赤橙黄绿青蓝紫的顺序分开了,这就是光的色散。

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牛顿虽然发现了光的色散,但并没有发现红外线,发现红外线的人是后来的英国天文学家赫歇尔。

阳光照射到物体上会致使物体升温,既然阳光可以色散为7种颜色,那么哪一种颜色的光能够让物体升温更快呢?为了弄清楚这一问题,赫歇尔进行了一次实验,他将日光色散为一束七彩光线,并在每一个光线照射的地方放上了一个温度计,并且也在红色的光前面没有被照射到的地方放置了一个温度计。实验结果出乎意料,升温最快的竟然是最前面那个没有被光照射到的温度计。为什么会这样?其实那个温度计并不是没有被照射到,只是照射它的光,我们看不到,这道看不见的光就是红外线。

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在后来的研究中,人们逐渐发现一切物体都会向外辐射电磁波,而所辐射的电磁波的波长与物体的温度有着密切的关系。

物体的温度越高,向外辐射的电磁波就越向短波段靠拢。举例而言吧,日常我们所见的大多数物体温度都不是很高,所以它们所辐射的电磁波都处于波长较长的红外线波段,因此我们看不见它们所发出的光,只有使用红外线夜视仪才能够看到。但如果我们将一个物体不断加热,比如一个铁块,随着它的温度升高,它所辐射的电磁波就会进入波长较短的可见光波段,于是我们就会看到铁块变红、变橙,乃至变黄。

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既然物体向外辐射电磁波的功率与温度有关,那么二者的关系应该如何描述呢?

奥地利物理学家斯特藩和玻尔兹曼经过研究最终得出了一个定律,也就是“斯特藩-玻尔兹曼定律”。根据这一定律,一个物体单位面积的辐射功率就等于绝对温度乘以“斯特藩-玻尔兹曼常数”,这个常数取值5.67X10∧-8。有了这个定律之后,要想得知一个物体的温度就非常容易了,只需要测量一下这个物体单位面积的电磁波辐射功率,然后代入公式,就可以计算出物体的温度,太阳表面的温度就是这样计算出来的。严谨一点来讲,这种测温法应该叫做电磁波测温法,但由于日常我们测量的物体,比如人体,所辐射的电磁波都处于红外线波段,所以又称红外线测温法。

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