太陽是太陽系中唯一一顆能夠自主發光發熱的天體,它所釋放的能量來自於其內部的氫核聚變,那麼這顆熊熊燃燒的大火球表面到底有多少度呢?約為5500攝氏度。
目前世界上已知的熔點最高的物質是鉿的化合物,也就是五碳化四鉭鉿,其熔點達到了4215攝氏度。可見,沒有任何已知的物質可以經得起太陽表面高溫的炙烤,既然如此,太陽表面的溫度,我們又是如何測量出來的呢?其實就是依靠紅外線測溫法,嚴謹一點來說也可以稱之為電磁波測溫法,現在我們測量體溫所使用的紅外線測溫儀其實也是相同的原理。那麼為什麼依靠紅外線就能夠測出物體表面的溫度呢?紅外線到底是什麼呢?
紅外線是一種光,一種波長在760奈米到1毫米之間的光。
既然紅外線是光,那我們就要從光的組成說起。平日裡我們所見的日光基本上是白色的,但這並不是因為日光本身就是白色的,這種白色的光是由多種顏色的光組合而成的。在雨後,由於空氣中充滿了細小的水珠,而光照射到水中會發生折射,於是原本呈現白色的日光就會被拆分為7種顏色不同的光,這就是光的色散。最早發現光的色散原理的人是著名的物理學家牛頓。牛頓將一道白光照射到三稜鏡上,光在穿透三稜鏡後就會由一道白光變為一束層次分明的彩色光線,並且這束光線總是呈現出赤橙黃綠青藍紫的順序。
白色的光在穿透三稜鏡之後為什麼就會變為一束彩色的光線呢?
是因為白光中本來就包含了不同顏色的光,還是光與三稜鏡發生了某種反應之後產生了彩色的光呢?為了得到答案,牛頓又將彩色的光束透過凸透鏡進行匯聚,然後讓它們再次穿過三稜鏡,結果這束彩色的光又重新匯聚成了一道白光,事實證明白光是一種複合光,它是由多種元素的光組合而成的。當白光照射到三稜鏡或者水中時會發生折射,而不同的光由於波長不同,所以折射率也不相同,因此在折射之後它們就被按照赤橙黃綠青藍紫的順序分開了,這就是光的色散。
牛頓雖然發現了光的色散,但並沒有發現紅外線,發現紅外線的人是後來的英國天文學家赫歇爾。
陽光照射到物體上會致使物體升溫,既然陽光可以色散為7種顏色,那麼哪一種顏色的光能夠讓物體升溫更快呢?為了弄清楚這一問題,赫歇爾進行了一次實驗,他將日光色散為一束七彩光線,並在每一個光線照射的地方放上了一個溫度計,並且也在紅色的光前面沒有被照射到的地方放置了一個溫度計。實驗結果出乎意料,升溫最快的竟然是最前面那個沒有被光照射到的溫度計。為什麼會這樣?其實那個溫度計並不是沒有被照射到,只是照射它的光,我們看不到,這道看不見的光就是紅外線。
在後來的研究中,人們逐漸發現一切物體都會向外輻射電磁波,而所輻射的電磁波的波長與物體的溫度有著密切的關係。
物體的溫度越高,向外輻射的電磁波就越向短波段靠攏。舉例而言吧,日常我們所見的大多數物體溫度都不是很高,所以它們所輻射的電磁波都處於波長較長的紅外線波段,因此我們看不見它們所發出的光,只有使用紅外線夜視儀才能夠看到。但如果我們將一個物體不斷加熱,比如一個鐵塊,隨著它的溫度升高,它所輻射的電磁波就會進入波長較短的可見光波段,於是我們就會看到鐵塊變紅、變橙,乃至變黃。
既然物體向外輻射電磁波的功率與溫度有關,那麼二者的關係應該如何描述呢?
奧地利物理學家斯特藩和玻爾茲曼經過研究最終得出了一個定律,也就是“斯特藩-玻爾茲曼定律”。根據這一定律,一個物體單位面積的輻射功率就等於絕對溫度乘以“斯特藩-玻爾茲曼常數”,這個常數取值5.67X10∧-8。有了這個定律之後,要想得知一個物體的溫度就非常容易了,只需要測量一下這個物體單位面積的電磁波輻射功率,然後代入公式,就可以計算出物體的溫度,太陽表面的溫度就是這樣計算出來的。嚴謹一點來講,這種測溫法應該叫做電磁波測溫法,但由於日常我們測量的物體,比如人體,所輻射的電磁波都處於紅外線波段,所以又稱紅外線測溫法。