Kandela

Kandela (yksikön tunnus cd) on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle valovoima, jota nimitetään myös valon intensiteetiksi ja valon voimakkuudeksi. Yksi kandela on sellaisen säteilijän valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista 540·10¹² hertsin taajuista sähkömagneettista säteilyä ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on 1/683 wattia steradiaania kohti. 1 kandela vastaa suurin piirtein tavallisen kynttilän (lat. candela) valovoimaa.

Yksikön määritelmä

Kandelan nykyisen määritelmän vahvisti 26. yleinen paino- ja mittakonferenssi (26th Conférence Générale des Poids et Mesures, lyhennetään CGPM) vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019. Kandela on määritelty antamalla sellaisen monokromaattisen säteilyn, jonka taajuus on 540·10¹² Hz, valaistustehokkuudelle kiinteä lukuarvo 683, kun yksikkönä on lm W⁻¹, joka on yhtä kuin cd sr W⁻¹ tai cd sr kg⁻¹m⁻²s³ missä kilogramma, metri ja sekunti on määritelty h:n, c:n ja ΔtCs:n (sekunnin määritelmässä esiintyvän cesium-133-atomin häiriintymättömän perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välistä siirtymää vastaavan säteilyn taajuuden) avulla.
Tämä määritelmä on olennaisesti sama kuin aikaisempi vuoden 1979 määritelmä. Sen mukaan kandela on sellaisen säteilijän valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista 540·10¹² hertsin taajuista säteilyä ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on 1/683 wattia steradiaania kohti. Sitä on ainoastaan täsmennetty niin, että parantuneet metrin ja sekunnin määritelmät tarkentavat myös kandelaa.

Yksikön historiaa

Valovoimakkuuden määritteleminen liekkiä käyttäen johti 1800-luvulla eri maissa eri tuloksiin. Vuonna 1948 määritelmä yhtenäistettiin (9. CGPM) hyväksymällä määritys "uudelle kynttilälle" (new candle (englanniksi)). Samassa kandela (candela (englanniksi)) valittiin uudeksi valovoiman kansainväliseksi yksiköksi ja sen yksikön tunnukseksi otettiin cd. Pohjaksi otettiin mustan kappaleen lähettämä säteily eli niin sanottu Planckin säteily. Siinä lämpötilassa, jossa platinametalli alkoi jähmettyä (sulamispiste), määriteltiin aukosta tulevan valosäteilyn valovoimaksi 60 kandelaa neliösentiltä. Tämä vastaakin melkein kuuman kynttilän liekin lähettämän valosäteilyn määrää.
Vuonna 1967 (13. CGPM) kandelan määritelmää tarkennettiin olosuhteiden osalta. Yksi kandela (1 cd) vastasi valovoimaa, joka syntyy sellaisen mustan kappaleen pinnalla, jonka lämpötila on platinan sulamispiste ja pinta-ala 1/600 000 neliömetriä ulkoisen paineen ollessa 101 325 pascalia.
Kandelan nykyistä edeltävä määritelmä vahvistettiin 16. kansainvälisessä mitta- ja painokonferenssissa vuonna 1979. Suositteleva komitea (Comité International des Poids et Mesures, lyhennetään CIPM) oli hyväksynyt sen pari vuotta aiemmin vuonna 1977. Siirtyminen käyttämään yksittäistä aallonpituutta (noin 555 nm) johtui mittatarkkuuden kasvamisesta edellisen määrittelyajankohtaan nähden. Edellinen määrittely käytti mustan kappaleen säteilyä, jossa mitattiin laajaa spektriä. Tämä aiheutti tuloksissa mittatarkkuuden rajat ylittävän virheen esiintymisen korkeissa lämpötiloissa. Siksi laboratoriot olivat jo siirtyneet käyttämään yksittäisiä aallonpituuksia.

Silmän herkkyysalueen huomioiminen

Yksiköt valovoimalle ja valovirralle ovat tarpeen, koska fysikaalinen säteilyintensiteetti (yksikkö watti/steradiaani) ja säteilyteho (yksikkö watti) eivät kuvaa ihmisen havaitsemaa valon voimakkuutta vaan ihmisen silmän herkkyys säteilylle riippuu sen aallonpituudesta (vrt. äänenvoimakkuus, jossa kuulemisessa on havaittu sama ilmiö). Koehenkilöillä tehtyjen mittausten perusteella on muodostettu ns. V(λ)-käyrä, joka kuvaa ihmissilmän herkkyyttä V valolle aallonpituuden λ funktiona (katso kuvaaja). Kuvaajan huippu on suurin piirtein valon aallonpituuden 555 nm kohdalla, joka vastaa SI-yksikkömääritelmässä olevaa sähkömagneettisen säteilyn taajuutta 5,40·10¹⁴ Hz. V(λ)-kuvaajan määrittelystä vastaa Kansainvälinen valaistuskomissio (International Commission on Illumination, lyhennys CIE). Kun energian absorboitumiseen perustuvassa mittauksessa huomioidaan V(λ), saadaan hyvä vaste ihmissilmän näkemälle kirkkaudelle. Tämä kuvaaja riittää kandelan määrittämiseen, koska mittaukset tehdään käyttäen säteilyintensiteettiä, joka on helppo määrittää. Kun säteilyintensiteetin tulos suodatetaan V(λ)-kuvaajalla, niin valovoima on määritelty.
Myös silmän hämäränäköä on tutkittu vastaavalla tavalla ja sille on kehitetty vastaava käyrä V '(λ).

Korvatut yksiköt

Ensimmäiset yritykset standardisoida valovoiman yksikkö kansainvälisesti johtuivat käytettyjen kynttilöiden epätasaisesta laadusta. Samassa pakkauksessa olevien kynttilöiden valovoima saattoi vaihdella 15 %. Kehitys vei siihen, että pohjaksi ehdotettiin erilaisia puhdistettuja polttoaineita steariinin sijasta ja sääntöjä siitä, miten polttotapahtuma normitettaisiin lähelle kynttilän sydämen toimintaa.
Käytettyjä yksiköitä olivat vuosina 1787−1889 muun muassa candle ja Harcourt (Britanniassa), Munich candle, Vereinskerze ja Hefner (Saksa) sekä Violle, bougie de l'étoile ja carcel (Ranska). Tämän jälkeen syntyi yksikkö decimal candle vuosina 1889 ja 1896, international candle vuonna 1909 ja new candle vuonna 1946, kuten edellä on kuvattu.