¿Cómo se puede explicar la radiación de cuerpo negro mediante la cuantización?

Este vínculo da cuenta clara de la diferencia entre la formulación clásica y la necesidad de la mecánica cuántica.

La radiación de cuerpo negro" o "radiación de cavidad" se refiere a un objeto o sistema que absorbe toda la radiación que incide sobre él y vuelve a irradiar energía que es característica de este sistema de radiación solamente, sin depender del tipo de radiación que incide sobre él. se puede considerar que la energía es producida por ondas estacionarias o modos resonantes de la cavidad que está irradiando.

La cantidad de radiación emitida en un rango de frecuencia dado debe ser proporcional al número de modos en ese rango. Lo mejor de la física clásica sugería que todos los modos tenían la misma posibilidad de producirse y que el número de modos aumentaba proporcionalmente al cuadrado de la frecuencia.

Pero el aumento continuo previsto en la energía radiada con frecuencia (llamada la "catástrofe ultravioleta") no sucedió. La naturaleza lo sabía mejor.

Continuando con el enlace, verá la justificación de la fórmula clásica y el hecho de que los datos no la siguen, sino que siguen la fórmula cuántica inducida.

El espectro del cuerpo negro tiene muy poco que ver con las propiedades de la radiación.

Si no existiera la radiación electromagnética, el calor en un cuerpo sólido se distribuiría entre todos los modos de vibración de los átomos. Clásicamente, todos los modos obtendrían la misma cantidad de energía. Pero en la mecánica cuántica, dependiendo de la temperatura, los modos de mayor frecuencia no siempre reciben su parte completa. Esta es la conocida desviación de baja temperatura de la ley de Dulong y Petit.

La Mecánica Cuántica explica esta anomalía, y no tiene nada que ver con la existencia de radiación electromagnética. Es justo lo que obtienes cuando resuelves la ecuación de Schroedinger para osciladores armónicos acoplados.

Si ahora dejas que esos átomos vibrantes tengan una carga eléctrica, irradiarán. Puedes calcular cuánto irradian utilizando las ecuaciones de Maxwell y, si lo haces, obtendrás la respuesta correcta: la Ley de Plank.

No necesita cuantificación para explicar el espectro del cuerpo negro.

Bueno, diría que estás confundido acerca de la idea de cuantización. Para tener en cuenta la cuantización, se debe examinar la física de las partículas. Para un ejemplo simple, el problema de partículas en una caja dado al comienzo de los cursos de mecánica cuántica. Entonces, la cuantización no significa solo átomo, puede examinarse para muchas situaciones en la vida real.

Otra cosa que debo mencionar es que las curvas de radiación de cuerpo negro son específicas de la temperatura del material. Para una temperatura específica, tiene menos cantidad de radiación de baja energía, luego hay un pico en algún nivel de energía donde podemos decir que la radiación en este rango de energía es muy densa, luego, disminuye a las energías más altas. Por ejemplo, puede encontrar fácilmente el concepto de cuerpo negro multicolor a través de Internet. Se utiliza para identificar discos de acreción ópticamente gruesos (significa casi un cuerpo negro), digamos alrededor de agujeros negros. Cambiar la temperatura del disco de acreción de las regiones más internas a las regiones más externas produce una superposición de radiación de cuerpo negro de temperatura diferente.

Entonces, después de una breve introducción para aclarar algunos conceptos básicos, explicaré por qué se incluye el concepto de cuantización para un cuerpo negro. El proceso en un cuerpo negro es una absorción continua y completa del fotón incidente y la emisión a alguna otra energía. (densidad espectral o curva de cuerpo negro con su dicho) Dado que estamos hablando de fotones en un espacio cerrado finito (seguro que estamos dentro del cuerpo negro), podemos definir el cuerpo negro como un sistema cuantificado y los fotones deben obedecer a la "distribución de Planck". (un concepto bastante fácil que puede encontrar a través de Internet) Y el punto importante, los fotones emitidos por el cuerpo negro no pueden violar la distribución de Planck, es por eso que en realidad tiene un pico en la densidad espectral.

También debería haber alguna intuición obtenida de la densidad de modos, creo. Este concepto favorece la independencia de forma, volumen, etc. pero la dimensión del sistema es bastante efectiva para el resultado.

Y una nota final: si no existe tal distribución para un cuerpo negro, sería realmente difícil mantener su temperatura durante bastante tiempo, simplemente se convertirá en un cuerpo normal.