¿Por qué las partículas en movimiento emiten radiación térmica?

Los procesos electromagnéticos entre átomos y moléculas en todas sus fases, sólido, líquido, gas, dependen de lo que genéricamente se denominan campos de "Van der Waals" y fuerzas posteriores.

Es bien sabido que los átomos/moléculas son neutros, sin embargo, existen para toda la materia dipolos y cuadrupolos y campos de orden superior que son principalmente atractivos y forman los enlaces químicos, que es la forma en que los átomos y moléculas neutros pueden unirse en sólidos y líquidos e interactuar. como gases.

Estos enlaces son mecánicos cuánticos, eso significa que existen soluciones de la ecuación de Schrödinger con niveles de energía desde el estado fundamental hasta el continuo, uno puede modelarlos como repetidos sobre toda la masa del sólido, líquido y gas. Los niveles de energía vacíos están cerca uno del otro en energía y el continuo de n=infinito (el número cuántico radial).

Al mismo tiempo, los átomos y los sólidos tienen grados de libertad cinéticos puros: pueden vibrar y girar en los sólidos, pueden moverse en dos dimensiones en los líquidos y en las tres dimensiones en los gases.

En los gases, la simple dispersión de las moléculas transfiere la energía cinética de una molécula a la energía potencial de otra, es decir, eleva un electrón a un nivel superior. El electrón vuelve a su estado fundamental liberando un fotón específico, o una cascada de fotones, dependiendo de la energía. Recuerde que los niveles superiores con respecto a n, el número cuántico radial, están estrechamente empaquetados. Estos fotones son los que se emiten como radiación de cuerpo negro, y son un continuo debido a las 10^23 moléculas por mol y los niveles de energía casi continuos . La temperatura es una función de la energía cinética promedio en el gas, cuanto mayor sea la temperatura, más enérgica será la dispersión cinética y mayor será la energía fotónica promedio.

En un sólido también hay grados de libertad cinemáticos vibratorios y rotacionales que contribuyen a la energía cinética promedio, es decir, la temperatura. La energía cinética de las moléculas se convierte en energía potencial para un electrón en la red que luego decae a su estado fundamental oa través de cascadas. La lógica es la misma que para los gases y la misma se cumple para los líquidos que tienen algún grado de libertad cinemático adicional con respecto a los sólidos.

Así que es el comportamiento de la mecánica cuántica de la materia a nivel micro el responsable de la radiación del cuerpo negro, y se resolvió el problema de la catástrofe infrarroja de las extrapolaciones clásicas. Son los niveles de energía los que marcan la diferencia entre el infinito y la propiedad de buen comportamiento en las emisiones electromagnéticas. Por lo tanto, la energía cinética promedio (proporcional a T) disminuye al convertirse en emisiones electromagnéticas a través del paso de los niveles de energía.

¿Eso significa que en condiciones enrarecidas donde el camino libre medio es relativamente grande, la tasa de emisiones IR disminuye (mientras que la intensidad sigue dependiendo solo de la temperatura)?

Cuando el camino libre medio es grande, la temperatura es más baja, la energía cinética promedio de los átomos es más baja y, por lo tanto, los fotones producidos por la transformación de electrones cinéticos a emocionantes a niveles de energía potencial más altos y la consiguiente descomposición a niveles de energía de tierra son todos más bajos. y seguirá enfriándose si la energía no se repone. No sé a qué te refieres con la intensidad.

Este es el espectro de radiación del cuerpo negro.

A medida que la temperatura disminuye, el pico de la curva de radiación del cuerpo negro se mueve hacia intensidades más bajas y longitudes de onda más largas. El gráfico de radiación de cuerpo negro también se compara con el modelo clásico de Rayleigh y Jeans.

Si te refieres a gases a baja presión como en la parte superior de la atmósfera, etc., hay que estudiarlos por separado de acuerdo con las condiciones de contorno. Puede haber gases con temperaturas muy altas como en la atmósfera del sol.

El mecanismo de emisión de radiación EM en gases diluidos es diferente de los sólidos, líquidos y gases densos.

En un sólido, la principal fuente de emisión continua, es decir, emisión de cuerpo negro, son las vibraciones de la red que provocan oscilaciones locales en la densidad electrónica. Los dipolos transitorios resultantes emiten EM como cualquier dipolo oscilante. Este no es un proceso resonante, por lo que obtienes un espectro continuo. La respuesta de Luboš Motl a la pregunta mencionada por Chris explica por qué la forma del espectro de emisión es independiente de los detalles finos de cómo se emite la radiación.

Los líquidos y los gases muy densos no tienen una red, pero el movimiento térmico aleatorio de las partículas que los componen produce un efecto similar.

En un gas diluido, la densidad es demasiado baja para producir oscilaciones significativas en la densidad de electrones, por lo que los gases diluidos no emiten un espectro continuo (aunque cualquier sólido en contacto con el gas se calentará y, en consecuencia, emitirá radiación de cuerpo negro).

Si el gas es un compuesto en lugar de atómico, entonces bien puede haber excitaciones rotacionales y vibratorias que pueden absorber y emitir fotones; así es como el dióxido de carbono (notoriamente) absorbe/emite infrarrojos. El ensanchamiento de la línea puede dar como resultado un espectro aproximadamente continuo, pero el espectro sigue siendo básicamente discreto, no continuo.

Si toma un gas monoatómico como el neón, básicamente no absorbe ni emite radiación a frecuencias por debajo de las excitaciones de electrones, aunque, como menciona TMS, siempre habrá una cola de distribución de velocidad que tenga suficiente energía para excitar las transiciones electrónicas. Sin embargo, esto será insignificante a temperatura ambiente.

La radiación térmica es una radiación permanente. Existe para cualquier cosa, bajo cualquier circunstancia, en cualquier momento. No está directamente relacionado con el movimiento de un objeto. Las cargas aceleradas emiten radiación, que no es radiación térmica.

Estas respuestas son demasiado complicadas. No es una ciencia exacta.

Cuando una partícula cargada se mueve, crea radiación electromagnética.

La materia está hecha de partículas cargadas.

Dado que todo lo que no está en el cero absoluto se está moviendo y todo está hecho de partículas cargadas, obtendrás un espectro de radiación EM proveniente de la materia.

Si la cosa se mueve muy rápido (alta temperatura), obtendrá algo de luz visible. Si la cosa está muy, muy caliente (como el sol), obtendrá luz ultravioleta.