El negro es el mejor emisor porque si algo es negro significa que está fuertemente acoplado al campo electromagnético.

Radiación termal

Los objetos físicos están rodeados de radiación electromagnética. Una fuente de radiación son las estrellas como el sol. Las estrellas emiten luz visible, radiación infrarroja y, de hecho, toda una gama de longitudes de onda. Puedes ver un gráfico del espectro de la luz solar en Wikipedia.$^{[a]}$También resulta que la materia misma emite radiación. Debido a que la materia está a una temperatura distinta de cero, el "movimiento" térmico de los átomos/moléculas hace que salten aleatoriamente a estados excitados, y cuando saltan hacia abajo pueden emitir fotones de radiación electromagnética. Esto se llama radiación térmica .

Diferentes tipos de materia irradian su energía térmica como radiación electromagnética con diferentes niveles de eficiencia. Esto se debe aproximadamente a que las transiciones de electrones (u otras) en varios materiales están más o menos fuertemente acopladas al campo electromagnético, y porque diferentes materiales tienen más o menos transiciones disponibles en cada longitud de onda.$^{[c]}$Por lo tanto, para una temperatura dada, algunos materiales emiten su radiación más rápido que otros.

Los buenos emisores son buenos absorbentes

Ahora aquí está la parte importante: los materiales que son buenos para emitir su radiación térmica también son buenos para absorber la radiación entrante . En realidad, esto no es sorprendente: el proceso de absorción de un fotón entrante es exactamente el inverso del proceso de emisión de uno, por lo que si un material tiene muchas transiciones disponibles dentro de él o transiciones que están más fuertemente acopladas al campo electromagnético, entonces esos Las transiciones están disponibles tanto para emisión como para absorción.

Y ahora respondemos la pregunta.

Un material que es un muy buen absorbente se ve negro porque absorbe toda la luz entrante. Bueno, eso suena convincente, pero si lo piensas bien, señalarías que te dije que los buenos absorbentes también son buenos emisores, por lo que un buen absorbente también debe emitir luz. ¡No debería verse negro! La clave aquí es que no tiene que emitir los fotones a la misma longitud de onda que los absorbe. Lo que generalmente sucede es que después de que, por ejemplo, entra un fotón visible y es absorbido, la energía se convierte en calor y luego se emite mediante una emisión térmica como se describe anteriormente. Esta emisión térmica puede estar en el rango infrarrojo (para temperaturas prácticas), que no puede ver con sus ojos. Es por eso que un objeto que es a la vez un buen absorbente y un buen emisorse ve negro cuando está en equilibrio térmico cerca de la temperatura ambiente.$^{[d]}$Tenga en cuenta que esto significa que los objetos negros en realidad están irradiando más poder que los blancos, simplemente no puede saberlo fácilmente porque ese poder está en una longitud de onda que no ve.

Más información

Un objeto hipotético que absorbe perfectamente toda la radiación entrante se llama cuerpo negro . Usando la mecánica cuántica y la mecánica estadística, puede calcular la cantidad de energía de radiación que debe emitir un cuerpo negro a una temperatura determinada en cada longitud de onda.$^{[b]}$Curiosamente, si miras el gráfico de la emisión del sol, verás que está bastante cerca de un cuerpo negro ideal.

¿Alguna vez has notado que las mantas térmicas son brillantes ? Los materiales brillantes están débilmente acoplados al campo electromagnético. Son brillantes precisamente porque reflejan la radiación entrante en lugar de absorberla. Dado que los malos absorbentes son malos emisores, esto también significa que cuando te envuelves en una manta brillante, irradias el calor de tu cuerpo más lentamente, manteniéndote más caliente en un ambiente frío. Por supuesto, usar una manta brillante también evitará que te caliente bajo la luz del sol. La forma de verlo es que la cosa brillante lo aísla del entorno: evita que se caliente con la radiación entrante y evita que se enfríe con la radiación saliente.

Esta es también la razón por la cual las botellas de termo son brillantes.

$[a]$: Tenga en cuenta que la potencia máxima de radiación del sol es alrededor de$500\,\text{nm}$longitud de onda, que está justo en el medio del espectro visible. ¿Coincidencia?

$[b]$: De hecho, fue al tratar de calcular el espectro de emisión del cuerpo negro que la gente se dio cuenta de que la física clásica tenía problemas. En la física clásica, el cuerpo negro irradiaría una cantidad infinita de energía. Planck descubrió que podía arreglar esto asumiendo que la energía estaba cuantificada. Según él mismo admitió, fue un truco totalmente desmotivado en ese momento, pero funcionó y fue un importante punto de partida para la mecánica cuántica.

$[c]$: Para obtener más información, consulte la regla de oro de Fermi .

$[d]$: Por supuesto, los objetos más calientes se ven de colores que no son negros. Por ejemplo, si calienta una pieza de metal en el fuego, puede brillar de color rojo.