Comprender la radiación térmica en un conductor, gas y aislante

Los términos radiación de cuerpo negro y radiación térmica no son realmente intercambiables. Se vuelve aún más ambiguo cuando discutimos qué tipo de radiación emiten las fuentes de luz térmica . A juzgar por algunas discusiones en esta comunidad (p. ej., cuerpo negro frente a radiación térmica ), las definiciones generalmente no están de acuerdo, por lo que lo que sigue tiene la intención de ayudar a ordenar las cosas, en lugar de ser la verdad básica.

La radiación de cuerpo negro es un estado de equilibrio de un gas fotónico (es decir, del campo electromagnético). Siempre que estemos hablando del espacio libre, este gas fotónico tiene un espectro continuo, y el espectro viene dado por la fórmula de Planck . Si discutiéramos el campo EM dentro de un resonador, probablemente tendría un espectro discreto y su estado térmico también se caracterizaría por un espectro discreto. (Sin embargo, si el resonador tiene paredes negras, el espectro seguirá siendo continuo).

La radiación térmica es radiación emitida por fuentes de luz térmica , que defino como objetos a cierta temperatura (es decir, objetos que pueden considerarse internamente en equilibrio térmico, pero no necesariamente en equilibrio con el campo EM circundante). Las propiedades de estos objetos determinan las frecuencias de la radiación que emiten y por tanto su espectro. En el espíritu del OP, menciono algunos casos:

• Un gas de electrones, en el que los electrones chocan entre sí, emitiendo en todas las frecuencias posibles (Thermal Bremsstrahlung ). La radiación emitida por tal gas será desde el principio muy cercana al espectro del cuerpo negro.
• Gas de átomos. Los átomos emiten a frecuencias discretas, pero estas se ampliarán debido a los efectos Doppler. Además, los procesos de orden superior, como la dispersión Raman, pueden acoplar este espectro discreto al continuo de los modos electromagnéticos. Por lo tanto, la radiación emitida inicialmente en frecuencias discretas eventualmente evolucionará hacia el espectro del cuerpo negro.
• El semiconductor/aislante tiene una frecuencia de corte bien definida: se emite muy poco por debajo del espacio (principalmente frecuencias discretas debido a los niveles de impurezas y excitones), pero el espectro por encima del espacio es continuo. Esto también eventualmente evolucionará hacia el espectro del cuerpo negro debido a los procesos de orden superior.

Cómo la radiación térmica se convierte en radiación de cuerpo negro
Ya he mencionado anteriormente que los procesos de orden superior normalmente bombean la energía a los modos acoplados débilmente a la fuente de luz térmica. Puede llevar mucho tiempo en algunos casos, incluso un tiempo infinitamente largo (en cuyo caso podríamos hablar de transiciones de fase), como la polarización de un ferroimán que permanece atascado en un mínimo de energía, a pesar de la disponibilidad de los otros estados de la misma energía. .) La física estadística del equilibrio, sin embargo, se ocupa de los estados de equilibrio, sin importar cómo se establecen. Y se puede asumir con seguridad que muchos ejemplos de radiación térmica tienen un espectro de cuerpo negro (como si estos cuerpos estuvieran acoplados a todos los modos electromagnéticos con la misma fuerza: la definición de un cuerpo negro). Consulte este hilo para ver ejemplos:¿Cómo se convierte la radiación en radiación de cuerpo negro?

Correcto o incorrecto: el espectro de la radiación térmica es continuo para los objetos terrestres normales, como una bombilla de luz o un conductor, se debe a que una vez que conecta cada electrón en el sólido en una ecuación de mecánica cuántica gigante, personalmente lo llamo "piscina de fermi gigante". mientras obedezco el principio de exclusión de Pauli, terminaré con muchos niveles de energía para billones de electrones, esos niveles serán bastante continuos.

Equivocado. La radiación térmica tiene que ver con los fotones. Se obtiene cuando los modos de cavidad electromagnética (por ejemplo, vacío dentro de una caja) están ocupados según las estadísticas bosónicas. La caja se puede imaginar infinita, y se obtiene un continuo de estados de fotones, y el número de fotones en cada estado viene dado por la distribución de Bose-Einstein. En otras palabras, los electrones y núcleos del 'metal' de la caja negra juegan aquí un papel muy secundario. Hay una interacción luz-materia particular entre la materia y los fotones en la caja. La forma exacta de esta interacción no importa para el resultado final. Es suficiente que haya alguna interacción. Ahora bien, si los electrones y los núcleos del metal tienen una temperatura diferente, mediada por la interacción luz-materia, el calor fluirá a los modos de fotones de la cavidad hasta que la luz y la materia estén en equilibrio térmico. Esto está relacionado con el teorema de equipartición, que debe aplicarse a los niveles de energía cuántica de los fotones para evitar la catástrofe ultravioleta.

Correcto o incorrecto: el gas bajo presión atmosférica no emite un espectro continuo, porque los electrones de sus átomos están muy separados, no están interactuando, los electrones de cada átomo están en su propio "grupo de fermi" aislado. Diferentes átomos pueden tener electrones del mismo estado de energía.

Equivocado. Como se discutió en la parte 1, el espectro continuo se trata de que los fotones estén en equilibrio térmico. La emisión térmica en los átomos ocurre cuando la temperatura es lo suficientemente grande como para que un electrón pueda excitarse térmicamente. Este estado excitado de un átomo sólo se acopla entonces a modos muy especiales de la cavidad, es decir, a aquellos que conservan la energía y el momento. Por lo tanto, se obtienen picos agudos de energías de fotones cuando se observa la emisión.

Correcto o incorrecto: un bloque de aislante tendrá un espectro de radiación térmica discontinuo a cierta temperatura, ya que sus "condiciones internas" (como la red cristalina o la condición límite) simplemente no permitirán que exista algún estado de energía.

Equivocado de nuevo, me temo. Es cierto que los semiconductores y los aisladores tienen niveles de partículas individuales prohibidos, por ejemplo, para que haya una brecha entre sus espectros de fotoemisión y de fotoemisión inversa. Pero la idea es correcta, ya que existen estructuras que tienen una brecha de banda fotónica. De manera similar a los electrones, dada cierta geometría de la cavidad, los fotones también pueden tener espacios de banda. Debido a la geometría (por ejemplo, una red periódica de perlas de metal en un sustrato transparente), existen niveles de energía prohibidos para los fotones. Palabras clave: ópalos (sí, las gemas comunes tienen una brecha de banda tal que las longitudes de onda de luz particulares no pueden propagarse en ellas), cristales fotónicos.

Aquí hay un ejemplo de estructura de banda para fotones, que muestra la brecha de banda fotónica