鉄や電熱線を強く熱すると、最初は暗い赤色に光り、さらに温度を上げると赤橙色、黄色っぽい色を経て、やがて白くまぶしく見えるようになります。
なぜ、同じ物体なのに温度が上がるだけで光の色が変わるのでしょうか。
結論からいうと、熱せられた物体が出す熱放射のスペクトルは温度によって変わり、温度が高いほど放射全体が強くなると同時に、強く放射する波長域が短波長側へ移るからです。
低温では放射の大部分が赤外線にあり、可視光は赤側からわずかに現れます。温度が上がると赤だけでなく橙・黄・緑・青側の可視光も増え、可視域全体に強い放射が広がるため、最終的には白っぽく見えるようになります。
熱した物体が光るのはなぜか
絶対零度より高い温度にある物体は、内部の荷電粒子の熱運動に由来する電磁放射を出しています。
これを熱放射と呼びます。
室温の物体も熱放射を出していますが、その中心は赤外線なので人の目には見えません。
温度が高くなると放射は強くなり、スペクトルの一部が可視光域へ入ってきます。その結果、物体が自ら光って見えるようになります。
黒体放射とは何か
熱放射の基本モデルとして使われるのが黒体です。
黒体は、入射した電磁波を理想的に吸収し、その温度に応じた最大限の熱放射を出す理想化された物体です。
実際の鉄、タングステン、セラミックスなどは完全な黒体ではありませんが、高温での色の変化は黒体放射の考え方でよく理解できます。
OpenStaxは、温度が上がると黒体放射の強度が増し、放射強度が最大となる波長が短波長側へ移動することを示しています。
なぜ低い温度では赤く光り始めるのか
人の目に見える可視光は、およそ赤から紫までの限られた波長範囲です。
まだ温度がそれほど高くない物体では、熱放射の最大強度は赤外線にあります。
しかし温度が上がるにつれて、スペクトルの短波長側の尾が可視域へ伸びてきます。
最初に目立つのは可視域の長波長側、つまり赤い光です。
そのため、高温物体はまず暗い赤色に光って見えます。
温度が上がると最大放射波長が短くなる
黒体放射では、放射強度が最大となる波長λmaxと絶対温度Tの間に、
λmaxT = b
という関係があります。
これがウィーンの変位則です。
bはウィーンの波長変位定数で、約2.898×10-3 m·Kです。
つまり温度Tが高くなるほど、λmaxは短くなります。
OpenStaxやNISTの資料でも、温度上昇に伴って放射スペクトルのピークが短波長側へ移ることが示されています。
赤から橙・黄へ変わるのはなぜか
温度がさらに上がると、赤外線中心だったスペクトルが短波長側へ広がり、可視域で赤だけでなく橙や黄の成分も強くなります。
人の目は単一波長だけを見ているのではなく、可視域全体に含まれる光の組み合わせを色として知覚します。
そのため、赤成分だけが目立つ低温状態から、赤・橙・黄など複数の成分が強くなるにつれて、見かけの色も赤橙色、黄白色へ変化します。
なぜ最後は白っぽく見えるのか
十分に高温になると、可視域のほぼ全体にわたって強い放射が存在するようになります。
赤だけでなく緑や青の成分も強く含まれるようになるため、三種類の錐体が広く刺激されます。
その結果、光は白または白に近い色として知覚されます。
ここで重要なのは、「放射ピークが白色の波長になる」わけではないことです。
白は単一波長の色ではなく、可視域の複数の波長成分が同時に目へ入ることで生じる知覚です。
温度が高いほど放射そのものも強くなる
温度上昇で変わるのは色だけではありません。
黒体が全波長にわたって放射する総エネルギーは、ステファン＝ボルツマンの法則
P/A = σT4
に従って急激に増加します。
つまり温度が2倍になると、理想黒体では単位面積あたりの総放射は16倍になります。
そのため、高温になるほど色が短波長側へ移るだけでなく、物体全体が急速に明るくなります。
温度が2倍なら色も単純に2倍変わるのか
色は数値をそのまま倍にするような量ではありません。
ウィーンの変位則では、温度が2倍になると最大放射波長は半分になります。
しかし実際に人が感じる色は、ピーク波長だけでなく、可視域全体のスペクトル分布と目の感度で決まります。
そのため、見かけの色は温度に対して単純な直線関係では変化しません。
赤熱と白熱は何が違うのか
赤熱は、高温物体から出る可視光のうち赤側が主に見える状態です。
白熱は、さらに温度が高くなり、可視域の広い波長範囲に十分な放射が出て白っぽく見える状態です。
どちらも原理は同じ熱放射で、温度の違いによってスペクトル分布が変化した結果です。
白熱電球はこの仕組みを使っている
白熱電球では、タングステンフィラメントへ電流を流して非常に高温にします。
フィラメントは熱放射によって可視光を出し、白っぽく光ります。
ただし放射の多くは可視光ではなく赤外線です。
そのため、白熱電球は光だけでなく大量の熱も出し、LEDと比べると発光効率が低くなります。
炎の色も同じ原理なのか
一部は同じですが、すべてが黒体放射で決まるわけではありません。
ろうそくの黄色い炎では、高温になったすす粒子の熱放射が大きく寄与します。
一方、ガスバーナーの青い炎では、分子や原子の特定の電子遷移による発光が重要です。
そのため、「青い炎は黒体放射で温度が高いから青い」と単純に説明することはできません。
星の色も温度と関係するのか
関係します。
恒星の連続スペクトルは黒体放射に近い形を持つため、表面温度が高い星ほど短波長側の放射が相対的に強く、青白く見えます。
表面温度が低い星では長波長側が相対的に強く、赤っぽく見えます。
OpenStaxも、ウィーンの変位則を使って星の温度と色の関係を説明しています。
赤い星より青い星のほうが高温なのはなぜか
黒体に近い放射では、温度が高いほどスペクトルのピークが短波長側へ移ります。
したがって、赤側が相対的に強い星より、青側まで強い放射を持つ星のほうが表面温度は高い傾向があります。
これは「青い光そのものが熱い」という意味ではなく、放射スペクトル全体が温度によって変化した結果です。
物体の材質が違っても同じ色になるのか
完全には同じとは限りません。
実在する物体では、波長ごとの放射しやすさを表す放射率が材質によって異なります。
同じ温度でも、金属、酸化膜、セラミックスなどではスペクトルの細部や明るさが異なる場合があります。
ただし、高温物体の色が温度上昇とともに赤側から白側へ変化する大きな傾向は、黒体放射の温度依存でよく説明できます。
表面が黒いほど熱放射も強いのか
可視光で黒く見えることと、すべての波長で理想黒体に近いことは同じではありません。
放射率は波長や温度によっても変わるため、見た目の色だけで熱放射特性を完全には判断できません。
工業用の放射温度計では、材質ごとの放射率を考慮して温度を推定します。
赤外線カメラはこの熱放射を見ている
人の目には見えない温度の物体でも、赤外線では熱放射を出しています。
赤外線カメラは、その赤外放射を検出して温度分布を画像化します。
つまり、物体が赤く光る前から熱放射は存在しており、人の目に見えるかどうかは放射スペクトルが可視域まで十分に広がっているかの違いです。
温度が高くなると必ず青く見えるのか
黒体放射のピークは温度上昇とともに短波長側へ移りますが、日常の高温物体が必ず鮮やかな青色になるわけではありません。
高温になるほど可視域全体の放射が増えるため、人の目には黄白色や白色として見える範囲が広くあります。
さらに高温の恒星などでは青側の相対成分が強くなり、青白く見えることがあります。
見かけの色はピーク波長だけでなく、可視域全体の分布と視覚特性で決まります。
ウィーンの変位則だけで色を完全に決められるのか
できません。
ウィーンの変位則は、どの波長で放射強度が最大になるかを示します。
しかし人が感じる色を求めるには、黒体スペクトル全体を可視域について積分し、人の三色型色覚の感度も考慮する必要があります。
したがって、ピーク波長は温度変化を理解する強力な指標ですが、知覚色そのものと一対一対応するわけではありません。
J-STAGEの資料では温度と放射スペクトルをどう示しているか
色材協会誌の黒体放射に関する資料では、Planckの放射式に基づく分光放射エネルギー曲線が示され、温度が上昇すると放射強度が増し、最大放射波長が短くなることがウィーンの変位則とともに整理されています。
また、高温になるほど可視光を含む短波長側の放射が増えることも示されています。
この関係が、赤熱から白熱へ見え方が変わる物理的な基礎です。
既存の「照明や背景で色が変わる」記事とは何が違うのか
照明や背景による色変化の記事では、同じ物体でも照明スペクトル、背景、順応によって知覚される物体色が変わる理由を扱っています。
本記事では、物体自身を加熱したとき、物体が出す熱放射スペクトルそのものが温度によって変化し、赤熱から白熱へ発光色が変わる理由に焦点を当てています。
つまり、一方は外から当たる光と知覚条件の問題、もう一方は発光体自身の温度で放射スペクトルが変わる問題です。
まとめ
熱した物体が赤から白へ光の色を変えるのは、温度上昇によって熱放射のスペクトルが変化するためです。
- すべての物体は温度に応じて熱放射を出している
- 低温では放射の中心が赤外線にあり、人の目には見えない
- 温度が上がると可視域の赤側から光が見え始める
- ウィーンの変位則により、温度上昇で最大放射波長は短波長側へ移る
- 同時にステファン＝ボルツマン則により総放射量も急増する
- さらに高温になると可視域全体の放射が強くなり、黄白色から白色に見える
- 実在物体では放射率が材質や波長で異なるため、黒体と完全には一致しない
つまり、赤熱から白熱への色の変化は、温度が上がるほど熱放射が強くなり、そのスペクトルが短波長側へ広がっていく結果なのです。
関連記事
参考資料
- 色材協会誌「Planckの放射式による遠赤外線加熱の問題点」
- OpenStax University Physics Volume 3: Blackbody Radiation
- NIST CODATA: Wien displacement law constants
コメント