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光度單位坎德拉的概念、定義及歷史變遷

作者:宋檢 時(shí)間:2022-11-09 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉是國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位之一,它是描述光源在某一方向上發(fā)出可見(jiàn)光強(qiáng)弱的程度。人類(lèi)很早就開(kāi)始了對(duì)光的觀測(cè)和研究。例如,在比較兩個(gè)天體的亮度或照度時(shí),1729年P(guān).布給發(fā)明的目視光度計(jì)可將恒星分成若干星等。在照明工程中,早期的光度測(cè)量以蠟燭作為參照標(biāo)準(zhǔn)。1760年,J.H.朗伯首創(chuàng)了光度學(xué)的基本體系,成為光度學(xué)的奠基人。1860年,英國(guó)**規(guī)定了發(fā)光強(qiáng)度的單位,即采用一支蠟燭的發(fā)光強(qiáng)度作為單位量,英文名稱(chēng)為candel,中文譯名為燭光。1881年,國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)燭光為發(fā)光強(qiáng)度單位的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。人類(lèi)此時(shí)夜間都采用蠟燭照明。確切批準(zhǔn)的燭光定義是:1磅鯨腦油制成6支蠟燭,蠟燭以每小時(shí)120格令(約等于7.776g)的速度燃燒時(shí),在火焰的水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光。

1879年10月22日,舉世聞名的美國(guó)電學(xué)家和發(fā)明家,被譽(yù)為“世界發(fā)明大王”的愛(ài)迪生點(diǎn)燃了**盞真正具有廣泛實(shí)用價(jià)值的電燈。為了延長(zhǎng)燈絲的壽命,他又重新試驗(yàn),大約試用了6000多種纖維材料,才找到了新的發(fā)光體——日本竹絲,可持續(xù)發(fā)光1000多小時(shí),達(dá)到了耐用的目的。從某方面說(shuō),這一發(fā)明是愛(ài)迪生一生中達(dá)到登峰造*的成就。接著,他又創(chuàng)造了一種供電系統(tǒng),使遠(yuǎn)處的燈具能從中心發(fā)電站配電,這是一項(xiàng)重大的工藝成就。

此后不久,與愛(ài)迪生同鎮(zhèn)的沙耶也設(shè)計(jì)了一種燈泡,要與愛(ài)迪生比賽燈泡點(diǎn)亮的壽命。沙耶制作的燈泡功率為4W,自1901年點(diǎn)亮以來(lái),至今已110周年,燈泡一直亮著,創(chuàng)造了吉尼斯世界紀(jì)錄,堪稱(chēng)百年光度歷史的奇跡。美國(guó)加州“百年燈泡委員會(huì)”邀請(qǐng)世界各國(guó)的科學(xué)家前去觀看這個(gè)奇異的百年燈泡。

電燈的出現(xiàn)是照明世界的頭等大事,人類(lèi)從20世紀(jì)開(kāi)始進(jìn)入夜間光明的新時(shí)代。為了適應(yīng)新形勢(shì),美、英、法等國(guó)于1909年決定用一組45支碳絲白熾燈代替蠟燭作為保持發(fā)光強(qiáng)度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),取名為國(guó)際燭光。確定這個(gè)定義后不久,就發(fā)生了**次世界大戰(zhàn)。在經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)后,1948年1月1日,國(guó)際上才開(kāi)始推行**個(gè)統(tǒng)一的發(fā)光強(qiáng)度單位,其定義為:在鉑凝固點(diǎn)溫度下,黑體發(fā)生的光亮度為60新?tīng)T光每平方厘米。

新?tīng)T光比原來(lái)的燭光所復(fù)現(xiàn)的單位約小1.9%,單位名稱(chēng)由原來(lái)的英文candel改為拉丁文candela。為了避免混淆,我國(guó)采用音譯名稱(chēng)“坎德拉”。

采用上述定義的原因是,要選擇一個(gè)既穩(wěn)定又能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)的高溫。根據(jù)物理學(xué)的研究可知,高純金屬相變點(diǎn)的溫度非常穩(wěn)定,鉑凝固點(diǎn)溫度為2042K。由黑體輻射的理論可知,黑體的發(fā)射能力很強(qiáng),只要采用溫度達(dá)到2042K的人工黑體,就能復(fù)現(xiàn)坎德拉單位。

1967年,第十三屆計(jì)量大會(huì)對(duì)坎德拉的上述定義進(jìn)行了修改,修改后的定義如下:“坎德拉是在101325Pa壓力下,處于鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體的1/600000m2表面在垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)度。”

修正后的定義中包含了表面所受的壓力,因?yàn)榻饘倌厅c(diǎn)溫度與表面壓力有關(guān),修正后的定義比原來(lái)更加嚴(yán)格。這個(gè)定義在1979年又進(jìn)行了修改,1979年第十六屆計(jì)量大會(huì)通過(guò)了下列定義:“

坎德拉為一光源在給定方向的發(fā)光強(qiáng)度,該光源發(fā)出頻率為5401012Hz的單色輻射,且在此方向上的輻射為1/683W每球面度。”

上述定義隱含了Km=683流明/瓦,頻率為540×1012Hz的輻射波長(zhǎng)(即555nm),這是人眼視覺(jué)的峰值波長(zhǎng)。新定義與原定義保持了坎德拉的量值不變。新定義的意義在于它建立了坎德拉與光功率單位瓦特之間的聯(lián)系,與人眼的主觀因素?zé)o直接關(guān)系。但是,發(fā)光強(qiáng)度仍是一個(gè)與人的心理因素有關(guān)的物理量。為了說(shuō)明兩者之間的關(guān)系,下面對(duì)人的視覺(jué)機(jī)制進(jìn)行概略的介紹。

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設(shè)備的量值溯源是質(zhì)量控制的保證。量值溯源的一致性是國(guó)際間相互承認(rèn)測(cè)量結(jié)果的前提條件,國(guó)家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可將量值溯源視為測(cè)量結(jié)果可信性的基礎(chǔ)。為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性,應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響的檢測(cè)儀器設(shè)備進(jìn)行檢定/校準(zhǔn),保障量值的可溯源性。(1)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)。檢定/校準(zhǔn)可分為購(gòu)買(mǎi)后首次檢定/校準(zhǔn)、周期性檢定/校準(zhǔn)、維修后的檢定/校準(zhǔn)。(2)特殊情況下的量值溯源。對(duì)不可能溯源到國(guó)家計(jì)量基(標(biāo))準(zhǔn)的檢測(cè)儀器設(shè)備,應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間的比對(duì)或能力驗(yàn)證計(jì)劃,來(lái)提供滿足檢測(cè)規(guī)定要求的證據(jù)。(3)儀器設(shè)備的自校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)無(wú)法檢定/校準(zhǔn)的儀器設(shè)備,可采用溯源到國(guó)家基(標(biāo))準(zhǔn)的方法,確認(rèn)該設(shè)備能否滿足檢測(cè)規(guī)定要求。對(duì)無(wú)法一一送檢的器具(如玻璃量具)可進(jìn)行自校,但必須滿足3個(gè)條件:一要有檢定合格的器具作為依據(jù);二要有經(jīng)過(guò)法定計(jì)量部門(mén)培訓(xùn)合格的自校人員,持證上崗;三要有自校準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

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