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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 時間:2022-11-09 來源:互聯網

發光強度單位坎德拉是國際單位制中的七個基本單位之一,它是描述光源在某一方向上發出可見光強弱的程度。人類很早就開始了對光的觀測和研究。例如,在比較兩個天體的亮度或照度時,1729年P.布給發明的目視光度計可將恒星分成若干星等。在照明工程中,早期的光度測量以蠟燭作為參照標準。1760年,J.H.朗伯首創了光度學的基本體系,成為光度學的奠基人。1860年,英國**規定了發光強度的單位,即采用一支蠟燭的發光強度作為單位量,英文名稱為candel,中文譯名為燭光。1881年,國際電工技術委員會批準燭光為發光強度單位的國際標準。人類此時夜間都采用蠟燭照明。確切批準的燭光定義是:1磅鯨腦油制成6支蠟燭,蠟燭以每小時120格令(約等于7.776g)的速度燃燒時,在火焰的水平方向的發光強度為1燭光。

1879年10月22日,舉世聞名的美國電學家和發明家,被譽為“世界發明大王”的愛迪生點燃了**盞真正具有廣泛實用價值的電燈。為了延長燈絲的壽命,他又重新試驗,大約試用了6000多種纖維材料,才找到了新的發光體——日本竹絲,可持續發光1000多小時,達到了耐用的目的。從某方面說,這一發明是愛迪生一生中達到登峰造*的成就。接著,他又創造了一種供電系統,使遠處的燈具能從中心發電站配電,這是一項重大的工藝成就。

此后不久,與愛迪生同鎮的沙耶也設計了一種燈泡,要與愛迪生比賽燈泡點亮的壽命。沙耶制作的燈泡功率為4W,自1901年點亮以來,至今已110周年,燈泡一直亮著,創造了吉尼斯世界紀錄,堪稱百年光度歷史的奇跡。美國加州“百年燈泡委員會”邀請世界各國的科學家前去觀看這個奇異的百年燈泡。

電燈的出現是照明世界的頭等大事,人類從20世紀開始進入夜間光明的新時代。為了適應新形勢,美、英、法等國于1909年決定用一組45支碳絲白熾燈代替蠟燭作為保持發光強度的國際標準,取名為國際燭光。確定這個定義后不久,就發生了**次世界大戰。在經歷了兩次世界大戰后,1948年1月1日,國際上才開始推行**個統一的發光強度單位,其定義為:在鉑凝固點溫度下,黑體發生的光亮度為60新燭光每平方厘米。

新燭光比原來的燭光所復現的單位約小1.9%,單位名稱由原來的英文candel改為拉丁文candela。為了避免混淆,我國采用音譯名稱“坎德拉”。

采用上述定義的原因是,要選擇一個既穩定又能準確復現的高溫。根據物理學的研究可知,高純金屬相變點的溫度非常穩定,鉑凝固點溫度為2042K。由黑體輻射的理論可知,黑體的發射能力很強,只要采用溫度達到2042K的人工黑體,就能復現坎德拉單位。

1967年,第十三屆計量大會對坎德拉的上述定義進行了修改,修改后的定義如下:“坎德拉是在101325Pa壓力下,處于鉑凝固點溫度的黑體的1/600000m2表面在垂直方向上的發光強度。”

修正后的定義中包含了表面所受的壓力,因為金屬凝固點溫度與表面壓力有關,修正后的定義比原來更加嚴格。這個定義在1979年又進行了修改,1979年第十六屆計量大會通過了下列定義:“

坎德拉為一光源在給定方向的發光強度,該光源發出頻率為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(即555nm),這是人眼視覺的峰值波長。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系,與人眼的主觀因素無直接關系。但是,發光強度仍是一個與人的心理因素有關的物理量。為了說明兩者之間的關系,下面對人的視覺機制進行概略的介紹。

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