只有恒星才能發光嗎?答案沒有那麼簡單,行星或許也能發光?

天空之城 2022/06/17 檢舉 我要評論

在普通人的印象中,只有恒星才會發光,行星和衛星這種天體是不會發光的。

從嚴格的意義上來說,這樣的論斷是不嚴謹的。只有恒星才能發光必須有個限定條件,那就是恒星能持續發出的電磁波波長可以延伸到納米級別。

我們知道恒星這樣的天體,其主要成分是氫,剩下的基本上是氦。大部分恒星的氫元素占比超過90%。

由于恒星質量十分巨大,其內部的引力也十分強勁,導致恒星中的氫元素在引力的作用下全部朝向核心地帶坍塌。

氫原子由一個質子和一個電子構成。一般情況下,氫原子們不能靠得太近,這是由于核外電子之間存在電磁力導致的。

由于恒星內部的氫元素受到強大引力的撕扯。

在引力的加持下,氫原子的核外電子之間的電磁力很容易被擊穿,導致氫原子核聚合在一起形成氦原子,這就是聚變的過程。

由于原子的聚變會虧損質量,這些虧損的質量會以質能方程E=mc方的形式釋放出來。

巨大的能量常常以高頻率光子釋放出來,比如伽馬射線,x射線等。

高能量光子意味著頻率高,波長短。所以恒星聚變釋放的電磁波波長一般在0.01nm到1000nm之間。

而可見光波長在380nm到780nm之間。

所以恒星聚變釋放的部分電磁波進入到人眼就是視覺體驗。這也是恒星發光的原因。

事實上,任何溫度在絕對零度以上的物體都會輻射電磁波。溫度越高,輻射的電磁波能量越大,頻率越高,波長越短。

而宇宙中不存在絕對零度的物體,所有物體的溫度都在絕對零度以上,所以物體都會發出電磁波。

所以像地球這樣的行星和月球那樣的衛星必然也是可以輻射電磁波的。

在物理學上,光就是電磁波,電磁波和光不做區分。

寫到這里,可能會有人覺得這是在詭辯,因為人體也可以輻射電磁波,難道人體也是發光的嗎?

事實上,人體也是發光的,只不過這些光都是頻率極低,波長極長的紅外光。

我們只能用紅外線探測器在夜間才能看見人體發出的光。

行星和衛星的質量遠超人體,發出的電磁波的數量十分龐大。況且地球表面還有大氣層,其重要成分是氮氣和氧氣,這些大氣成分也會輻射巨量的電磁波。

現在的問題是,如果沒有太陽,僅憑地球到底能不能發光?

事實上,物體發光的方式并不是只有核聚變一種。

我剛才講了,發光的本質就是物體輻射出波長在380nm到780nm的電磁波。

物體的溫度越高,輻射的電磁波的波長就越短。

我們用冥王星舉例,冥王星是距離太陽最遙遠的矮行星之一,其表面溫度低至零下229℃。

所以我們可以推測一下,地球如果沒有太陽光的照射,僅靠地球自身的地核維持地球的熱量,地球整體溫度可能會低至零下243℃。

這一溫度輻射出的電磁波基本上在0.1mm的量級上,相當于10萬納米的波長。其波長比400nm的可見光高出整整三個數量級。

物體要輻射出400nm的波長,其溫度至少要達到5000k,相當于4726℃。

也就是說,一個物體要想僅靠自身發出可見光,其溫度不得低于4726℃。

所以只要地球表面存在超過這一溫度的地方就可以發出可見光。

而地球表面最高溫度的物體是巖漿,溫度高達1300℃。溫度不足以達到4723℃,難道就不能發光了嗎?

事實并非如此,這個道理就和火焰一樣。一般火焰的溫度只有幾百攝氏度。但依舊可以發出可見光。

為什麼火焰溫度沒有達到4723℃,也能發光?

這就牽扯到受激輻射了。我們剛才講的溫度達到4723℃才能發光指的是熱輻射,熱輻射本質就是自發輻射。

自發輻射簡單來說,就是核外電子處于不同能級,處于基態能級的電子可以自發躍遷到激發態并且釋放光子。

物體溫度越高,激發態釋放的光子頻率就越高,波長就越短。

所以在熱輻射中,只有溫度超過某一臨界值才能發出400nm波長段的光子。

事實上還有一種輻射依舊可以釋放光子,這就是 受激輻射

受激輻射簡單來說,就是核外電子在外界能量的攝入下,吸收能量后直接從基態躍遷到激發態釋放光子。

這是一種可以不依靠自身熱輻射也可以釋放高頻率光子的現象。

受激輻射一般釋放的光子頻率極高,波長極短。

我們用到的所有電子屏幕,手電筒以及電燈的發光機制就是受激輻射。它們的溫度遠遠沒有達到4000多攝氏度,但依舊可以發光。這正是拜受激輻射所賜。

而火焰就是典型的受激輻射。

地球表面有很多受激輻射的案例,比如螢火蟲,地光等。地球表面的物體有時候會在地殼運動,風力等外力的作用下相互擠壓,原子在擠壓下可能就會吸收能量,并且以受激輻射的形式發出可見光。

所以從受激輻射的角度來講,地球也是可以發光的,但這種光極其短暫又微弱,且不穩定,所以不會被認為是發光體。

嚴格來說,恒星是持續且穩定發出可見光的天體,行星和衛星是持續發出紅外光,偶爾可能會發出微弱可見光的天體。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論