火也是發光體,為什麼還會形成陰影?

郭哥聊科學


不好意思,有圖有真相——我們先來看一幅實驗拍攝的照片,來判斷一下火是不會形成陰影的呢?


“火影”是不存在的?

看了上面的圖片是不是可以得出結論:火是沒有影子的?

陰影是由於物體擋住了入射輻射(或散射入射的輻射,防止其沿直線連續傳播)而透射在背景上形成的無光區。

這個結論表面上可能是對的,但從最嚴格的意義上來說也是不對的。

火焰是等離子體-氣體的混合物,具有高溫。物質在火焰中分解交換電子形成等離子體——即電子和失去電子的原子的混合物,電子和離子的複合會導致發光。一些火焰(尤其是黃色火焰)也包含一些小顆粒(例如菸灰)。高溫使得在很寬的波長範圍內產生“黑體輻射”,這些輻射有的是可見的,有的是不可見的(大部分是紅外線)。

但關鍵的情況在於:大多數情況下,火焰的密度都非常低,因為它的大部分構成是氣體,且幾乎是透明的。這意味著照射火焰的光束大部分會直接通過,雖然某些外來光線的部分波長的輻射可能會被火焰中離子化的物質更強烈地吸收而形成陰影,但因為火焰的密度實在太低,因此即便有陰影也不大明顯,更不用提只是極微小的某些波段被不部分吸收形成的偏色陰影了(只是某些顏色不見了)。

上圖:嚴格的說“當然,火沒有陰影”是不對的!


火焰(周圍的氣體擾動)也可能形成琢磨不定的影子

實際上火還是有陰影的,但原因比較複雜。

我們前面說了,當光束的一部分被阻擋或重新定向時(折射),就會形成陰影。陰影區域是光束中光束相對較少的區域。這個較暗的區域傾向於呈現出阻擋或重定向光線的對象的形狀,因此我們傾向於將陰影視為由攔截對象特設的輪廓。考慮到這一概念,為了使火有陰影,火需要以某種方式阻擋或重定向外部光束的一部分。


傳統火焰可以很好地阻擋或重定向光線,原因很簡單:傳統的火焰不僅僅是簡單的點光源。

傳統的碳氫化合物火焰包含幾個組成部分:

  • 正在燃燒的碳氫化合物燃料分子氧分子(燃燒的核心部分)


  • 半燃燒的燃料和雜質(稱為菸灰或煙塵)的少量固體(燃燒的核心外圍)

  • 燃燒產生的二氧化碳和水蒸氣(燃燒區域的外圍)

  • 熱空氣(火焰區域的最外圍)

上圖:由於火焰是一種等離子體,因此火焰是可以導電的。根據這種性質,就可以製造供我們的燃氣爐用的熄火探測器和其它火焰探測器。


您在火焰中看到的光主要是由懸浮在火焰中不斷產生的固體煙塵發出的,這些煙塵被加熱以至於它們受熱發出黑體輻射(原理跟白熾燈實際上是一樣的——高溫發出可見光)。火焰中的熱空氣與周圍較冷的空氣之間由於密度的差異,形成某種折射界面,這會使光彎曲遠離其向前傳播的方向。光在不同物質的界面處的這種偏轉被稱為折射。這種效果與透鏡聚光的原理相同。因此,由於火焰包含熱空氣的簡單原因,火焰能夠使光束中的某些光線偏轉並投射出自己的陰影。熱空氣趨於湍流上升。因此,由熱空氣產生的陰影看起來像一堆舞動的漣漪。而且,火焰中的菸灰可以吸收光,因此也會參與火焰陰影的形成。

上圖:一個有陰影的火焰照片。


為了真正觀察到火的陰影,經過火的光束(例如太陽光)必須與火本身產生的光一樣亮或者更亮。否則,由火產生的光會向各個方向擴散,它將壓倒並填充外部光源形成的任何暗淡區域。例如,將微弱的手電筒對準咆哮的篝火將不會讓人看到火的陰影。而且,火焰越小越涼,菸灰越少,則它吸收和重定向光線的機會就越少,因此其陰影就會越暗。根據設置的不同,人眼可能會或可能無法用肉眼看到火焰的陰影。為獲得最佳效果,應該使用非常明亮的光束,例如直射的陽光,以及帶有大量熱量和煙塵的火。

上圖:如果外來光源太弱,人眼是看不出陰影的。不要被無數實驗的表象所矇蔽了。


因此,火可能會有陰影,但這不是因為火將入射光束中的光散射或遮擋了。從根本上講,一個光束不能直接與另一束光相互作用。光束從不彼此直接反射、彼此吸收或彼此偏轉。這是因為光本質上由光子這種波色子組成。所有的玻色子都可以相互重疊,相互穿過,並在完全相同的位置佔據完全相同的狀態。這也是因為光子既不帶電荷也不帶磁矩,因此不會相互作用。構成光的電磁場只能與帶有電荷或磁矩的物體相互作用。如果沒有任何電荷或磁矩與之互動,光不能以任何方式直接影響另一束光。請注意,一束光可以通過改變兩個光束通過的物質或通過更奇特的效應來間接偏轉另一個光束,但是這種效果在傳統的一般的火焰中是不存在的,所以可以不予考慮。

上圖:火焰折射形成的陰影。這種陰影跟前面的那種陰影似乎有點不一樣哦。


總結一下

火可能帶有陰影,因為它們包含熱空氣和菸灰,而不是因為它們包含光。但如果在遠處觀望火焰“陰影”應該出現的地方,則肯定會多少看到一點“東西”,更多像是某種飄動的氣體的陰影。這是因為熱火焰的密度低於周圍空氣的密度,這會導致它的折射率較低,因此會使光線略微彎曲。於是,小團火焰(如蠟燭的火焰)相距很遠的點光源的陰影實際上會在火焰周圍顯示出一個暗區,這是由於折射而不是吸收引起的。這也算是光的陰影吧!


小宇堂


首先答案很明確,火可以形成陰影,這個現象在我們小時候上課點蠟燭時都有見過,但原因可能不是你想的那樣。我之前有看過其他的解釋,如:火焰的光線阻擋或散射了其他光,使其無法穿過?還有火焰是等離子體,光子無法穿過帶電粒子?下面就說下火焰的陰影是怎麼形成的。下面這個圖,肯定是哪裡出了問題,看完你就知道了!

我們先說下陰影是什麼?

當光束照射到物體上時,如果一部分(全部)光被物體本身阻擋或被改變方向,那麼就會形成陰影。陰影區域其實就是光束中光線比其餘部分少的區域。這個較暗的區域往往傾向於呈現阻擋或改變光線方向的物體的形狀,所以我們就會誤認為陰影是由阻擋光線的物體投射或創造的。有了這個概念,那麼為了讓火形成陰影,火就需要以某種方式阻擋或改變另一束光的方向。

如果條件合適,火災會有明顯的陰影。

火焰形成陰影的原因

傳統的火焰可以阻擋或改變光線的方向,原因很簡單,因為碳氫化合物火焰不僅僅是一根光柱。而是由這麼幾個部分組成:燃燒過程中的碳氫燃料分子和氧氣分子、少量半燃燒的燃料和雜質(稱為菸灰或煙)、燃燒過程中產生的二氧化碳和水蒸氣。

我們在火焰中看到的光主要是由固體煙塵產生的。火焰中的熱空氣和周圍較冷空氣之間的界面會使光的傳播方向發生彎曲。這種光線在不同材料界面上的偏轉叫做折射。這和透鏡對光的聚焦效果是一樣的。因此,由於火焰含有熱空氣這一簡單的原因,它能夠使光束中的一些光發生偏轉,並投射出自己的影子。而且熱空氣有湍流上升的趨勢,因此,熱空氣產生的陰影看起來就像一群舞動的漣漪。此外,火焰中的菸灰也會吸收部分光線,因此也會形成火焰的陰影。至於光子無法穿過等離子體,確實是有些影響,但影響不大,這不是主要的原因。

怎樣讓火焰的陰影更加明顯

要真正看到火的影子,那麼經過火的光束(如陽光)就必須和火本身產生的光一樣亮或著比其更亮。否則,火所產生的光會向四面八方擴散,壓倒並填補另一束光所產生的任何暗淡的區域。例如,用微弱的手電筒照一堆熊熊燃燒的篝火,你就看不到火的影子。此外,火焰越小越冷,菸灰越少,它吸收和折射的光就越少,因此陰影也就越淡。

這也就造成了,當你猛地一想火有陰影?感覺這個印象很模糊,因為它確實是有時有,有時沒有,這跟特定的環境有關係。為了達到最好的觀察效果,我們應該使用明亮的光束,如直射的陽光,以及有大量熱量和煙塵的火,才能看到比較深的陰影。

火焰有陰影不是因為光子的相互作用

需要注意的是,火可以有陰影,不是因為火焰發出的光散射了入射的光,或者認為火焰中的光擠走了入射的光!在基本層面上,一束光不能與另一束光直接相互作用。光束不會直接相互反射、相互吸收或相互偏轉。

這是因為光是由稱為光子的量子粒子組成,而光子本質上是玻色子。所有的玻色子都能互相重疊,互相穿過,並在完全相同的位置佔據完全相同的量子態。這也是因為光子既不帶電荷,也不帶磁矩。電磁場(例如那些構成光的電磁場)只能與攜帶電荷或磁矩的物體相互作用。光本身沒有任何電荷或磁矩,所以一束光不能以任何方式直接影響另一束光。

請注意,一束光可以通過更奇特的效果來間接地偏轉另一束光,這屬於高能物理的範疇,這種效果在傳統的化學火焰中不存在。火可以有陰影,因為它們含有熱空氣和煙塵,而不是因為火焰含有光。


量子科學論


火也是物質的,光通過火時也有損耗,光子也與火中的粒子碰撞,所以火也會留下陰影。


光量子宇宙


什麼是火?火是不是一種物質?火的本質是什麼?大家對火都跟熟悉,但對火的本質都未必會了解透徹。廣泛意義上的火就是通過化學反應,劇烈釋放能量,並放出光和熱。一般意義上的火就是我們常見的火,就是可燃物和氧氣進行劇烈反應併發出光和熱。一般可燃物包括煤炭,石油產品,天然氣,樹枝,乾草,幹莊稼,煤氣,酒精,蠟燭等含碳物質。火的本質就是含碳物質,在高溫下,吸收能量,打開碳碳鍵,碳氫鍵等,然後碳氧結合生成碳氧鍵,主要是二氧化碳(氧氣充分的情況下),和水等氧化物,同時釋放光和熱,其實光就是熱,熱就是光,熱的實質就是紅外線,也是光,只是我們肉眼看不到而已。光呢,根據燃燒的劇烈程度,顏色是不一樣的,越弱的燃燒,發出的光越趨向紅色,溫度越低,越劇烈的燃燒,光越趨於藍色,溫度越高。我們看到的火就是可燃物燃燒的時候發出來的光和熱,還有,因為燃燒形成火的周邊溫度迅速上升,空氣膨脹,空氣密度降低而形成的強烈的上升氣流,這些綜合現象,就是我們常見的火。現在回答問題,為啥火有影子?一是,空氣膨脹,密度降低,光通過火焰的時候發生折射。二,摸摸農村裡的灶臺鍋底,或者看看農村燒柴做飯時的煙筒,會有大量的黑煙冒出,那就是沒有充分燃燒的碳,或者灰分,在上升氣流的裹挾下,從火焰中升到高空,這些物質基本都是黑色,黑色是吸收光線的,光線穿透不過去,就形成了影子,我們肉眼看不到火裡的這些物質,其實含量不少,你可以點燃一根蠟燭試試,拿塊玻璃,放到蠟燭火焰上面,玻璃迅速就被燻黑了。


天高兮雲淡


這個問題不是特別清晰。兩種理解

一是火焰本身有明有暗,有自身的陰影。實質是火焰中溫度不同造成光強弱不同。或有氣體未燃燒,造成的陰影。

二是在其他強光源照射情況下,因光照強度不同,形成明暗陰影。另外,火焰中的煙塵,氣體分子,其他顆粒物阻擋了光子通過。


一路奔跑的土豆


就一句話送你,螢燭之光也敢與日月爭輝。


對詩三句半


這麼跟你說吧,太陽黑子也是發光體。但是跟太陽表面其他部分比起來,溫度低,亮度低。


四維物體的截面


因為你的火🔥本身就不是完全透明的,所以阻擋了其它光線,形成🔥影。這答案夠簡單吧


細品歌中意


火有影子是因為它不是唯一光源。只要有其它發光源或者反射光源。就會有陰影。只是大小問題。


青瓷雅居


因為火不透明啊


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