Si un cuerpo negro es un absorbente perfecto, ¿por qué emite algo?

Estoy tratando de empezar a entender la mecánica cuántica, y lo primero que he encontrado que necesita ser entendido son los cuerpos negros. Pero me he topado con un obstáculo en los primeros párrafos. :( Según Wikipedia :

Un cuerpo negro (también, blackbody) es un cuerpo físico idealizado que absorbe toda la radiación electromagnética incidente, independientemente de la frecuencia o el ángulo de incidencia.

OK eso es bueno. Es un objeto que absorbe (toma en sí mismo y almacena/aniquila para siempre) cualquier radiación electromagnética que lo golpea. Un objeto que siempre se ve totalmente negro, sin importar bajo qué luz lo mires. Bien. Pero luego sigue con:

Un cuerpo negro en equilibrio térmico (es decir, a temperatura constante) emite una radiación electromagnética denominada radiación de cuerpo negro.

¿Que qué? ¿Con qué parte de "absorbe" va esto? ¿Cómo puede absorber algo si simplemente lo escupe, incluso si se modifica? Eso no es un cuerpo negro, es un bonito cuerpo blanco si me preguntas. O uno de color, dependiendo de cómo transforme las ondas entrantes.

¿Que me estoy perdiendo aqui?

Que absorba todo significa que cada radiación que proviene de él es realmente emitida en lugar de reflejada.
@ACuriousMind, y si siempre emitiera la radiación de una manera que imitara la reflexión (preservando la dirección, las longitudes de onda, etc.), ¿eso también contaría como un "cuerpo negro"?
¿Cómo se tradujo "absorbe toda la radiación incidente" como "nunca deja salir ninguna radiación y se ve totalmente negro"? "Absorbe" significa "toma", no significa "no deja salir". Un absorbedor perfecto no refleja ni transmite luz. Eso es todo.
@Vilx: no hay una forma física de emitir radiación absorbida de una manera que imite la reflexión sin que en realidad sea una reflexión. Así que no, eso no contaría como un cuerpo negro.
@JimdalftheGrey - Hmm... Supongo que tenía una idea diferente de lo que significa "absorber". Y también... bueno, si permites que absorba y luego vuelva a emitir, entonces, ¿cómo puedes decir que eso fue lo que sucedió y no solo un reflejo/filtrado/lo que sea?
Los cuerpos negros emiten a lo largo de un espectro de cuerpo negro que corresponde a su temperatura. La reflexión conserva la información sobre la longitud de onda (al menos), la transmisión conserva el ángulo de incidencia y la longitud de onda. La absorción y la reemisión no conservan nada de esto.
@JimdalftheGrey - Hmm... esto va en círculos. Los cuerpos negros emiten radiación de cuerpo negro porque son cuerpos negros que emiten radiación de cuerpo negro. Estoy tratando de abordar esto como las matemáticas: comience con algunas definiciones (y posiblemente axiomas), luego coloque teoremas sobre ellos. Pero me resulta difícil encontrar el fondo de todo (las definiciones). :(
Vilx, un objeto con temperatura distinta de cero emitirá energía hasta que ya no pueda (hasta que haya alcanzado un estado fundamental). Me parece, según sus comentarios, que está imaginando un absorbente perfecto como un objeto que absorbe toda la energía incidente sin emitir ninguna, es decir, mientras permanece en el estado fundamental. ¿Cómo es posible?
@AlfredCentauri: en la vida real no podría, pero de todos modos estamos hablando de cosas idealizadas aquí. O, bueno, ese fue mi razonamiento. Ahora veo que la palabra "absorbe" tiene un significado diferente al que pensaba.
No use el enfoque matemático en la física, debe desarrollar la comprensión a partir de experimentos/ejemplos/objetos concretos y luego ascender en la escalera de la abstracción.

Respuestas (5)

¿Que qué? ¿Con qué parte de "absorbe" va esto?

La clave para entender esto es observar cuidadosamente la frase "en equilibrio térmico".

Esto significa que las tasas de absorción y emisión son las mismas.

Si un cuerpo estuviera a una temperatura más baja que el ambiente, la tasa de absorción sería mayor y el cuerpo se calentaría.

Si un cuerpo estuviera a una temperatura más alta que el medio ambiente, la tasa de emisión sería mayor y el cuerpo se enfriaría.

Pero, en equilibrio térmico, la temperatura es constante y, por lo tanto, las tasas de absorción y emisión deben ser iguales.

Ahora, junta todo esto:

  • Un cuerpo negro es un absorbente ideal, es decir, un cuerpo negro no refleja ni transmite ninguna radiación electromagnética incidente.
  • Un objeto en equilibrio térmico con el medio ambiente emite energía a la misma velocidad que absorbe energía.

Entonces, se deduce que, un cuerpo negro en equilibrio térmico emite más energía que cualquier otro objeto (cuerpo no negro) en el mismo equilibrio térmico ya que absorbe más energía.

Imagine varios objetos diferentes, incluido un cuerpo negro, en un horno y en equilibrio térmico. El cuerpo negro 'brillará' más que los otros cuerpos.

Está bien, aceptaré esto. Supongo que ahora lo entiendo, pero realmente plantea más preguntas en otras direcciones. Tendré que pensarlo más antes de hacer mi siguiente pregunta.

"Está bien, eso es bueno. Es un objeto que absorbe (toma en sí mismo y almacena/aniquila para siempre) cualquier radiación electromagnética que lo golpea".

¡Bien! Pero esa barra frontal es importante y quieres la primera opción. Puede absorber la energía como calor y nunca refleja nada. Lo que la teoría del cuerpo negro luego pasa a detallar es lo que emite el cuerpo negro. Esto no es luz ambiental: un cuerpo negro emitiría radiación incluso si nunca absorbiera nada, siempre que su temperatura fuera distinta de cero.

Como nota, el nombre es un poco inapropiado. Los cuerpos negros (interesantes) casi nunca parecen negros. Para mirar, el sol es básicamente un cuerpo negro con una temperatura de 5500K. Como te habrás dado cuenta, el sol no es negro. [ C i t a t i o norte   norte mi mi d mi d ] .

El nombre "cuerpo negro" es quizás un poco engañoso.

La sección "Idealizaciones" de la entrada de wikipedia ilustra la idea de la manera que siempre me quedó grabada. Ponga un pinchazo en una cavidad totalmente "negra". Aquí "negro" significa que los lados de la cavidad no permiten la radiación, y la cavidad es lo suficientemente grande como para que los fotones que se preguntan por casualidad no encuentren el camino de regreso. Como dijo @SirElderberry, el fenómeno a estudiar, que eventualmente llevó a Planck a la cuantización, son esos pocos fotones que logran salir del cuerpo negro.

Cualquier cuerpo por encima de 0K emite radiación. Lo mismo ocurre con el cuerpo negro, absorbe radiación y también emite, ahora la velocidad a la que absorbe / emite depende del entorno.

En palabras simples

La radiación de cuerpo negro significa un cuerpo, independientemente de su color, que absorbe toda la longitud de onda que cae sobre él en forma de energía y no refleja nada de esa longitud de onda, sino que irradia lo que absorbió con una longitud de onda diferente.

Por eso una estrella se considera un cuerpo negro, ya que solo irradia y no refleja.

Si un cuerpo negro es un absorbente perfecto, ¿por qué emite algo?
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