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【科學講堂】亮度單位「坎德拉」歷史短

2017-02-08

早期用燭光燈光定義 今更穩定

有一個在書本上不太常見的國際單位制SI單位,可量度我們每天都見到的可見光強度(luminous intensity),那就是光的單位「坎德拉」(candela),縮寫為cd。

在坎德拉這個單位以前,出現過不同的光的強度單位,它們均是以蠟燭或是白熾的鎢絲燈泡的光暗度為量度準則。其中一個有名的單位為燭光(candlepower),縮寫為cp,於19世紀中期的英國使用。一燭光被定義為一根重六分之一磅燃燒速度為每小時120格令(grain,非SI質量單位,約65毫克)的鯨油蠟燭所發出的光度。相對現在的單位,1cp約為0.981cd。

蠟燭光暗變不可靠 綠色光聚焦球面重新定義

德國、奧地利及北歐於19世紀末及20世紀初使用赫夫納燈(Hefner lamp)量度光度,單位是Hefnerkerze (HK),定義為燃燒乙酸戊酯(amyl acetate,一種無色但帶香蕉味的化學物)時,產生40毫米高度火焰時的光度。相對現在的單位,1HK約為0.92cd。

科學家認為,這種靠蠟燭或是燈泡來定義光強度的方式不可靠,因為蠟燭的光暗不斷在改變,所以科學家開始尋求新的定義。1881年,法國物理學家Jules Violle提出不以蠟燭或是燈泡來定義光強度,那就是candela的原形。

Candela量度於一個固定角度內,一個光源在單一方向發出的功率(每秒鐘多少能量的轉換)。那即是,如果燈盞內有一功率為1/683瓦特(watts,W)、同時可發出頻率為540 兆赫(THz)綠色光的燈泡,而燈泡被設置成可以將光均勻地聚焦到一球面度(steradian)所對應的球面上,那麼光的強度就是一坎德拉了。

如果球面度為原來的一半,因為光線更集中,光的強度就是二坎德拉了。

人類對綠色光最敏感

讀者可能會問:為什麼是綠色光?因為人類的肉眼只可以看到可見光,同時對不同頻率的可見光有不用的敏感度,而對綠色光這個頻率最敏感,是以candela取綠色光為定義。

又為什麼是683瓦特?這是歷史問題,為的是讓一坎德拉與之前其他光度的定義相近,使改變定義時容易銜接。

美車底霓虹燈亮度設限

在美國,汽車愛好者為了改善他們的汽車外觀,會在車底加裝霓虹燈,普遍稱為underglow lights。

因為安全問題,許多州份均對這種霓虹燈的顏色或光度有所要求。在加州,霓虹燈所發出的光必須少於每平方英寸0.05坎德拉,而且車輛前面不能顯示紅色。

有些州份則不可顯示紅色或藍色,因為這樣看起來會像一輛警車。所以穿州過省之際,必須要注意另一州份之法例。

小 結

其實科學家定義得這麼嚴謹,那一坎德拉到底有多光?簡單來說,就是一支蠟燭的光度。我們唸書,許多時候都忘卻書本中知識與現實世界的關係,例如每小時一百公里有多快?一牛頓到底有多重?了解知識與現實世界的關係,其實學習會變得更容易。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。讀者可通過www.facebook.com/drbennyng聯繫作者。

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