¿Cuáles son los diversos mecanismos físicos para la transferencia de energía al fotón durante la emisión del cuerpo negro?

Por conservación de la energía, el sólido queda en un estado de menor energía después de la emisión de un fotón. Claramente, el balance de absorción y emisión en el equilibrio térmico, sin embargo, el equilibrio termodinámico es una declaración del comportamiento medio del sistema, no una declaración de que la energía interna es constante en escalas de tiempo arbitrariamente cortas. La energía tiene que venir de algún lugar durante la emisión e ir a algún lugar durante la absorción.

La energía en un sólido se puede almacenar como energía cinética y potencial de electrones y núcleos, ya sea individualmente o en modos colectivos, como fonones y plasmones. En el equilibrio térmico, la energía se almacenará más o menos en varias formas dependiendo de la temperatura y el material. Sin embargo, incluso si la mayor parte de la energía térmica en un sólido particular a temperatura T se almacena en forma de fonones, podría ser que los fonones interactúen principalmente con la luz indirectamente a través de electrones, por ejemplo, un fonón excita un electrón en una interacción fonón-electrón, que puede interactuar con la luz a través del campo EM.

Dado que la luz es un campo EM, tiene sentido para mí que sea emitida y absorbida por partículas cargadas. La interacción electrón-fotón es probablemente dominante para la luz visible y ultravioleta, dado que los metales son opacos, mientras que los semiconductores y los aislantes son transparentes a la luz (visible y ultravioleta) con una energía inferior a su banda prohibida. Sin embargo, una vez que ingresa a las energías en el IR y por debajo, o en los rayos X y por encima, aparentemente otros mecanismos toman el control. Por ejemplo, en el extremo de alta energía del espectro, escuché que los rayos gamma pueden interactuar directamente con los grados de libertad nucleares, lo cual es razonable considerando que los rayos gamma se emiten durante muchas reacciones nucleares.

Una revisión de la espectroscopia de absorción podría dar pistas sobre importantes interacciones luz-materia en una amplia gama de longitudes de onda. Si todos estos procesos están involucrados en la emisión del cuerpo negro es una pregunta algo diferente.

¿Qué procesos físicos median la transferencia de energía durante la emisión de un cuerpo negro y en qué rangos de energía predominan los diversos procesos?

Agregué etiquetas QM y QFT porque creo que ahí podría estar la respuesta.
Por cierto, los rayos gamma se encuentran en la parte de muy alta energía del espectro electromagnético y su emisión térmica ocurre en las supernovas, mientras que los infrarrojos son la parte de energía más baja del espectro.
Lo siento, esta publicación no es para dar una respuesta, sino para hacer una pregunta ingenua. ¿Por qué existe este enfoque en los electrones para emitir luz? ¿Realmente no es importante que los núcleos también estén cargados? Si me imagino un fonón como una excitación de una cadena de perlas cargadas en un fondo neutralizante, la antena resultante debería irradiar ondas EM que tienen la frecuencia del fonón... más o menos, ¿no?
Sí, tienes razón, las vibraciones de la red en un sólido irradian como una antena. Creo que es cierto que todas las propiedades de radiación térmica de la materia se pueden analizar encontrando la densidad de carga variable en el tiempo (que en principio se puede calcular usando la mecánica cuántica) y luego simplemente aplicando las Ecuaciones de Maxwell para calcular la radiación resultante.
@Marty, no estoy seguro de si lo que dices es cierto o no, pero si es así, esa es parte de la respuesta que estoy buscando.
Gatsu: Tu comentario es perspicaz. Querer entender el enfoque en los electrones es lo que motivó mi pregunta para empezar. Una de las razones por las que la gente se centra en las transiciones electrónicas es porque son importantes en el visible y el infrarrojo, donde el Sol irradia la mayor parte de su energía. Los fonones, por ejemplo, están restringidos a energías por debajo de la temperatura de Debye, normalmente bien en el infrarrojo. Las transiciones electrónicas discretas también son importantes en química. También son fáciles de tratar matemáticamente, por lo que están cubiertos en química introductoria, luego nuevamente en física moderna y nuevamente en introducción a la física cuántica...
Un punto sutil relacionado con las vibraciones de la red es que, debido a que los electrones son mucho más livianos que los núcleos, pueden seguir a los núcleos durante las vibraciones de la red (se equilibran localmente). Entonces, tanto los electrones como los núcleos se mueven durante las vibraciones de la red en los cristales y las vibraciones moleculares en los líquidos y gases. No me queda claro si son los electrones o los núcleos los que irradian, si eso tiene sentido. Me parece que los núcleos y los electrones vibran juntos, forman un dipolo eléctrico oscilante, y eso provoca la radiación.
Pensaría que en un metal, los electrones de conducción formarían más o menos una nube estacionaria, mientras que las vibraciones de la red consistirían en los iones metálicos, acompañados por la mayoría, si no todos, de sus electrones estrechamente unidos.
Debido a que los núcleos están cargados, también producen radiación. La radiación es proporcional a la aceleración y, por lo tanto, debido a que los electrones son 2000 veces menos masivos, generalmente experimentan aceleraciones mucho más fuertes y, por lo tanto, emiten mucha más radiación. Además, en términos de transiciones cuánticas (líneas de emisión), la mayoría de las transiciones nucleares tienen energías muy altas (es decir, rayos gamma) y, por lo tanto, son menos relevantes para los fenómenos típicos, pero siguen siendo muy importantes.
@Gatsu, esta es una muy buena pregunta, pero tenga en cuenta que debe hacerse como su propia publicación, o como mucho, debe colocarse como un "comentario" en la pregunta inicial.
Sabía que la separación adiabática de la escala de tiempo electrónica y nuclear sería una preocupación. Marty dio un buen ejemplo de dónde podría aplicarse el modelo simple que sugerí. En la vida real, para los sólidos de van der Waals, por ejemplo, la unión se debe a las interacciones dipolo-dipolo. Me imagino que un fotón es adsorbido por uno de los dipolos que luego es desfasado en el lindo baile que tuvo con sus compañeros. Esto da como resultado una repulsión local entre los dipolos que se transmite por todo el sólido y finalmente se vuelve a emitir como luz, ya que todos estos tipos son dipolos y pueden emitir luz.
@zhermes: lo siento, soy nuevo en este tipo de foros

Respuestas (8)

Esta es una pregunta fantástica y un tema sobre el que estaba muy confundido cuando tomé por primera vez una clase sobre procesos radiativos . La respuesta final, como insinuó @LubošMotl, es cualquier cosa : si comienza con un 'ruido blanco' de radiación (es decir, cantidades iguales de cada frecuencia), se equilibrará con el medio/material en un cuerpo negro. distribución debido a sus propiedades térmicas (ver: Ley de Kirchhoff y Coeficientes de Einstein ). Esto es como si le diera a cada molécula de un gas la misma energía, se establecerían en una distribución de Boltzmann .

En la práctica (y con suerte una respuesta más satisfactoria) es que generalmente es una combinación de emisión de línea y Bremsstrahlung , con Bremsstrahlung 1 dominando a altas temperaturas ( T ≳ 10 6 − 10 7 k ). Las líneas se producen en miríadas de frecuencias según la sustancia de interés y las propiedades termodinámicas (por ejemplo, la temperatura). Para los objetos cotidianos, creo que la emisión proviene principalmente de líneas de vibración molecular. Las líneas individuales se extienden por numerosos efectos termodinámicos de ampliación para cubrir porciones más grandes del espectro. Finalmente, según la ley de Kirchhoff, los objetos equilibrados solo pueden emitir hasta el espectro del cuerpo negro. En la práctica, aún verá líneas de emisión/absorción impresas y fuentes adicionales de radiación.

Veamos un desglose de las transiciones relevantes en función del nivel de energía :
radio : niveles de energía magnética nuclear (también emisión de ciclotrón en presencia de campos magnéticos moderados).
microondas : niveles de energía rotacional
infrarrojo : niveles de energía vibracional (moléculas)
visible : electrónico (especialmente transiciones de electrones externos)
ultravioleta : electrónico (especialmente eyección/combinación de electrones externos/de valencia)
rayos X : electrónico (transiciones de electrones internos)
rayos gamma : nuclear transiciones

1: Bremsstrahlung (en alemán, 'radiación de frenado') es una radiación producida por la aceleración de partículas cargadas, generalmente electrones. Esto puede ocurrir entre cualquier combinación de cargas unidas (en átomos) o no unidas (libres o en plasma).

Bueno, especificaciones relevantes, +1.
es Bremsstrahlung , no Brehmsstrahlung : las personas con el apellido Brehm aparentemente tienen más probabilidades de dedicarse a la biología o la medicina en lugar de la física;)
Bremsstrahlung: claramente la respuesta de un astrofísico :)
Nunca he oído hablar de transiciones de cationes de hidrógeno libres, libres y libres de límites (la opacidad continua dominante en la parte visible del espectro en el Sol) a las que se hace referencia como bremmstrahlung, como se escriba.

Es exactamente el objetivo de la termodinámica, y la física estadística, que uno no tiene que conocer el origen microscópico de procesos similares si solo está interesado en las propiedades termodinámicas y/o estadísticas.

La radiación del cuerpo negro surge de todas las interacciones concebibles entre el campo electromagnético y el "cuerpo negro": de la radiación del dipolo eléctrico, la radiación del dipolo magnético, etc., etc. Pero la virtud de la termodinámica y/o la física estadística es que, aunque esta situación pueda parecer complicada, las propiedades estadísticas/térmicas de la radiación resultante pueden predecirse exactamente siempre que conozcamos la temperatura del cuerpo negro.

Entonces, en última instancia, toda la emisión se reduce a los términos de interacción en electromagnetismo,

S = ∫ d 4 X j m A m
pero la física estadística o la termodinámica no tienen que estudiar ninguna colección particular de muchas de esas interacciones una por una porque, como se puede mostrar usando los métodos termodinámicos o estadísticos, las propiedades térmicas resultantes y las distribuciones estadísticas para los fotones son completamente universales.

Cuando hay fonones a una temperatura distinta de cero, también se distribuyen en una distribución similar a un cuerpo negro similar a la de los fotones e interactúan con todos los demás utilizando todos los interactinos permitidos. Pero uno no tiene que asumir ningún fonón para obtener la distribución correcta de fotones. Los fotones tendrán un espectro de cuerpo negro incluso en la vecindad de materiales que casi no contienen fonones. Cualesquiera que sean los grados de libertad, los fotones cerca de la fuente calentada se comportarán como la radiación del cuerpo negro. La única condición necesaria es la existencia de algunainteracciones que son capaces de transferir energía del cuerpo negro al campo electromagnético. Cuando el cuerpo negro tiene una temperatura, todo lo demás sigue y el campo electromagnético finalmente alcanzará el equilibrio con el cuerpo negro, es decir, contendrá la radiación de cuerpo negro correcta.

Debe ver la emisión de radiación de cuerpo negro como un proceso análogo al intercambio de calor normal entre dos cuerpos. A cierta temperatura, vibran de varias formas. Cada uno de ellos puede vibrar usando diferentes tipos de vibraciones y rotaciones, uno de ellos puede ser un gas con moléculas que se mueven libremente, el otro puede ser un sólido con muchos osciladores armónicos. Pero cuando hay una interacción suficiente entre estos dos cuerpos, la energía se transfiere de uno al otro, se alcanza el equilibrio térmico y el otro cuerpo exhibirá las características que esperamos de una temperatura particular del cuerpo de este tipo, independientemente de el tipo de otro cuerpo con el que ha interactuado e independientemente de las interacciones microscópicas que se usaron en la transferencia de calor.

Lo que escribió explica por qué y cómo los mecanismos físicos subyacentes se barren bajo la alfombra en la física estadística y la derivación mecánica cuántica del espectro del cuerpo negro. Esto es interesante, sin embargo, no responde a mi pregunta. Quiero saber si las transiciones electrónicas son la interacción dominante y, si no, en qué condiciones son dominantes los procesos dados. Por ejemplo, los rayos gamma pueden excitar directamente los grados de libertad nucleares: esta es la idea detrás de los rayos gamma monoenergéticos para la identificación de isótopos. +1 para identificar la fuente del problema.
Douglas - Motl respondió a la pregunta, que era: "¿Exactamente qué proceso físico fundamental interviene en la transferencia de energía en la emisión del cuerpo negro?" La respuesta es: "La radiación del cuerpo negro surge de todas las interacciones concebibles entre el campo electromagnético y el 'cuerpo negro', de la radiación del dipolo eléctrico, la radiación del dipolo magnético, etc., etc.". Ahora modificó la pregunta a "Quiero saber si las transiciones electrónicas son la interacción dominante", que es diferente. Y sospecho que la respuesta depende del material.
Estimado @DouglasB.Staple, "barrer debajo de la alfombra" es una expresión cargada porque tiene una connotación emocional negativa. En física estadística y termodinámica, este "barrer debajo de la alfombra" es una gran virtud. Es una propiedad definitoria de estas dos disciplinas de la física: la forma positiva de describirlas es que pueden determinar ciertas propiedades macroscópicas de objetos y procesos sin necesidad de estudiar los detalles microscópicos. Es una gran posibilidad que también ayuda a físicos e ingenieros.
De lo contrario, "las transiciones electrónicas son la interacción dominante" no es realmente una oración significativa porque una "transición electrónica" no es una "interacción", es un proceso. La interacción detrás del proceso es, por ejemplo, la interacción entre el campo electromagnético y un momento dipolar eléctrico del átomo, que puede reducirse a ϕ ρ términos de interacción. Sí, estas interacciones y transiciones son clave para la radiación del cuerpo negro a temperaturas características de las transiciones atómicas: cientos o miles de K. A millones de kelvins, las transiciones en los núcleos se convertirían en la clave.
Pienso en algo como esto. El material tiene una temperatura, lo que significa que los átomos están vibrando (fonones). Los fonones están acoplados con el sistema de electrones y así los fonones y los electrones alcanzan un equilibrio. Los electrones son partículas cargadas, por lo que pueden perder (y ganar) energía mediante transiciones ópticas, lo que da como resultado una radiación de cuerpo negro. Así que creo que la excitación y la relajación de los electrones son la fuente de la radiación del cuerpo negro. Pero también es importante cómo se acoplarán a la red. Una buena pregunta.
@MarkWayne Decir "todas las interacciones imaginables" evita la pregunta. Por supuesto, si incluye todas las interacciones posibles, entonces en algún lugar obtendrá los procesos responsables. Por lo general, cuando se afirma que X causa Y, está implícito que X es el proceso dominante, aunque puede haber otros. Cuando cae agua del cielo, la llamamos lluvia y decimos que es causada por el vapor de agua que se condensa en la atmósfera; por lo general, uno no menciona, por ejemplo, que parte del agua podría provenir de meteoritos que se rompen en la atmósfera.

No estoy seguro de si responderá completamente a su pregunta, pero es posible que le interese este artículo (Smerlak, 2011 Eur. J. Phys. 32 1143. "A blackbody is not a blackbox."; versión arXiv en caso de que enlace nunca muere). Analiza la radiación del cuerpo negro desde una perspectiva ligeramente diferente a la habitual. Algunas de las mejores aproximaciones a los cuerpos negros en la naturaleza son grandes volúmenes de gas, como estrellas y atmósferas planetarias. Este documento pedagógico deriva el espectro del cuerpo negro pensando en este escenario más natural, en lugar del concepto habitual más artificial de una cavidad con una pequeña abertura.

Todo se reduce a la parte de materia del sistema (toda la cosa, no solo un átomo) en transición entre diferentes niveles de energía. Para que esto suceda tiene que haber una interacción con el campo electromagnético. Si la parte de materia del sistema tiene un espectro continuo de niveles de energía, y la materia y la radiación están en equilibrio, el resultado es que el campo de radiación tiene un espectro de Planck.

Tengo la sensación de que está buscando algo más específico que eso: quiere saber exactamente por qué un sistema particular de materia tiene un espectro continuo de niveles de energía y exactamente qué forma toman sus interacciones con el campo de radiación. No sé la respuesta a eso (me gustaría), pero pensé que esta perspectiva podría ser útil de todos modos.

¡Excelente! Acabo de leer el documento al que se vinculó, que fue de gran ayuda. Tienes razón en que estoy pidiendo otra cosa, pero esto ayuda a entender el problema general. Muchísimas gracias.
@DouglasB.Staple, podrías darle la recompensa :) Nathaniel, tu último párrafo hace un misterio de la nada. Cada átomo/molécula es un dipolo o multipolo y en cierto sentido es una pequeña antena porque se mueve en el campo eléctrico colectivo de los otros dipolos. Las energías son continuas ya que hay una gran cantidad de geometrías diferentes que crean diferentes potenciales. Pierde energía cinética al radiar y baja la energía cinética media bajando la temperatura, ¿no? los cuerpos negros se enfrían lentamente.
@annav sí, ese es más o menos el nivel de explicación con el que estaría feliz. Pero como han señalado las otras respuestas, la naturaleza precisa de la interacción puede tomar muchas formas: radiación de dipolo eléctrico, radiación de dipolo magnético, líneas espectrales, etc. En cierto sentido, todo esto es lo mismo, pero creo que lo que Douglas quiere saber es los detalles de cuál de estos procesos ocurre más en la práctica. (Por supuesto, la respuesta dependerá del cuerpo negro, ya que el mecanismo para un plasma es bastante diferente al de un gas, y una cavidad sólida también es diferente).
Lo siento, @Nathaniel, pero el documento al que se vinculó es una completa basura. Intenta negar las leyes de Kirchhoff y permite que los "cuerpos negros" no absorban toda la radiación. Pero los cuerpos negros se definen como cuerpos (idealizados) que absorben toda la radiación (eso es lo que realmente significa el adjetivo "negro": no reflejan la luz: la emisión es irrelevante) y la absorción y la emisión están vinculadas para cada cuerpo y cada frecuencia . . Todos estos errores del autor tienen muchas implicaciones, por ejemplo, en la absurda afirmación de que los gases enrarecidos son cuerpos negros. Seguramente no lo son.
@LubošMotl Creo que lo malinterpretaste de alguna manera. El argumento principal es simplemente que si alguna materia y alguna radiación están en equilibrio a una temperatura dada, entonces la radiación siempre debe tener el mismo espectro (el de Planck), independientemente de la naturaleza de la materia. Esto es análogo a la forma en que la distribución de equilibrio de un sistema es independiente de la naturaleza del baño de calor con el que está en equilibrio, y se deriva de los principios elementales de la mecánica estadística. También es, fundamentalmente, la base del argumento de Planck.
El documento no dice que los gases refeados sean cuerpos negros, dice que en cantidades suficientemente grandes se convierten en buenas aproximaciones a los cuerpos negros. Empíricamente esto es absolutamente cierto. Es por eso que las estrellas emiten buenas aproximaciones a los espectros de cuerpo negro.
@LubošMotl para aclarar un poco más, en el argumento de Planck, las paredes de la cavidad no necesariamente tendrán una capacidad de absorción perfecta: el objetivo de la cavidad es permitir que la radiación entre en equilibrio con la materia a pesar de esto. Cantidades suficientemente grandes de gas tienen el mismo efecto, porque la dispersión mantiene la radiación en contacto con el gas durante el tiempo suficiente para que se acerque al equilibrio, aunque en pequeñas cantidades la capacidad de absorción está lejos de 1.
@Nathaniel todo se reduce a si son ópticamente gruesos o no. Mientras los fotones en todas las frecuencias sean absorbidos por el objeto/material, ese objeto/material se comportará como un cuerpo negro si está en equilibrio térmico.

Intentemos esto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Es un gráfico que muestra la temperatura máxima (también se puede encontrar la temperatura promedio) frente a la longitud de onda.

Como otros han señalado, existen una serie de procesos en un cuerpo sólido, todos ellos de naturaleza electromagnética que contribuirán al gráfico de longitud de onda.

Aquí hay una tabla con las frecuencias:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Combinando la información de las dos figuras, uno puede adivinar los procesos dominantes involucrados en la radiación de un cuerpo negro.

En la curva roja, que es la temperatura ambiente, se ven transiciones de electronvoltios como dominantes. Estos son los espectros continuos colectivos que provienen de las moléculas que vibran en el sólido, cada molécula en el campo de Van Der Waals de todos los demás. Dado que, como han señalado otros, las moléculas tienen dipolos eléctricos, momentos magnéticos, habrá transiciones en las soluciones mecánicas cuánticas temporales para cada molécula, pero el efecto será un continuo porque el espectro se compone de una suma incoherente de orden 10^23 moléculas. Incluso cuando las líneas espectrales se excitan en las moléculas y la relajación libera un fotón, este fotón puede interactuar en un continuo con Compton .etc. dispersión que destruirá la mayoría de las líneas de coherencia y espectrales, debido a la gran cantidad de moléculas involucradas. A medida que las temperaturas aumentan, el proceso continúa siendo incoherente, solo que las energías involucradas aumentan.

Debido a la gran cantidad de interacciones que entran en el fenómeno de la radiación del cuerpo negro, se deben utilizar métodos estadísticos como ha respondido Lubos.

Esa información no está contenida dentro de la radiación bb; todo lo que se puede obtener es un área de emisión y una temperatura.

En la práctica, la radiación puede haber surgido de cualquier proceso en el que sea factible que se produzca un fotón a esa frecuencia.

Por supuesto, para ser realmente un emisor de cuerpo negro, también debe haber un 100% de posibilidades de que un fotón a esa frecuencia que incide sobre el objeto sea absorbido. Esta condición garantiza que haya procesos radiativos relevantes que también sean capaces de emitir a esa frecuencia, ya que existen proporcionalidades directas (por ejemplo) entre los coeficientes de Einstein para la absorción y la emisión tanto estimulada como espontánea (lo mismo es cierto para los procesos continuos). .

Tal vez para elaborar demasiado, si postuló un objeto hipotético que es incapaz de emitir luz en algunas frecuencias (por ejemplo, un átomo de dos niveles con un coeficiente A de emisión espontánea de Einstein que se aproxima a una función delta en frecuencia), es posible que nunca pueda hacer era lo suficientemente grueso para absorber esas frecuencias y no podía ser un cuerpo negro. Sin embargo, incluso para un sistema de este tipo, existe una pequeña posibilidad de absorción en todas las frecuencias, debido al ensanchamiento natural o Doppler. Si hizo que el material fuera ópticamente grueso en todas las frecuencias (es decir, físicamente muy, muy grueso), su salida aún se aproximaría a un cuerpo negro.

Por lo tanto, si quisiera responder de manera probabilística, diría que el proceso de emisión relevante más probable será el inverso de cualquier proceso de absorción que haga que el objeto de cuerpo negro sea ópticamente grueso en esa frecuencia.

Entonces, por ejemplo, la radiación visible (casi) de cuerpo negro de la fotosfera del Sol obviamente tiene todas las transiciones ópticas atómicas e iónicas (unas pocas moleculares), pero también emisión libre y libre correspondiente a la opacidad aportada por iones (principalmente H − , la fuente de opacidad dominante en la fotosfera). Para diferentes temperaturas y diferentes materiales con diferentes composiciones, los procesos radiativos dominantes también serán diferentes, por ejemplo, radiación de recombinación con átomos/iones a temperaturas superiores a 10 4 K, transiciones moleculares a temperaturas de cientos de K.

de No hay lanzaguisantes para fotones (pdf) Por Marty Green

3. EL ESPECTRO DEL CUERPO NEGRO. La catástrofe ultravioleta inherente a la fórmula de Rayleigh-Jeans es una consecuencia inevitable del teorema de equipartición en la mecánica clásica. Es interesante, sin embargo, pensar en el mecanismo real en detalle. ¿Por qué exactamente a todas las frecuencias del campo de radiación se obtiene la misma proporción de energía? El teorema de equipartición es especialmente fácil de entender para el caso de moléculas diatómicas rígidas, donde la energía se comparte por igual entre los cinco modos: tres traslacionales y dos rotacionales. Si la velocidad de traslación promedio de una molécula es de 500 m/s, entonces la velocidad tangencial promedio de una molécula que gira, tomada alrededor de su centro de masa, también es de 500 m/s. Así es como funciona la equipartición para la energía mecánica.La pregunta entonces es: ¿cómo se convierte esta energía mecánica en energía electromagnética radiante? * La forma más sencilla es permitir que las moléculas tengan un momento dipolar *. Las especies como el O2 y el N2, por supuesto, estarán eléctricamente equilibradas (es por eso que la luz pasa a través de ellas con tanta facilidad), pero prácticamente cualquier molécula compuesta por dos átomos diferentes tendrá algún momento dipolar. Cuando se le da movimiento de rotación, se convierte en una antena. Y como antena, irradia.¿Cuál es la frecuencia de la radiación? Es simplemente la frecuencia de rotación de la molécula: en otras palabras, la velocidad tangencial dividida por el radio. El problema ocurre si dejamos que el radio se haga muy pequeño. Cuanto menor sea la distancia interatómica, mayor será la frecuencia radiada por la molécula giratoria. En teoría, no hay límite para cuán pequeña puede ser la molécula y cuán alta es la frecuencia resultante. Sin embargo, hay un ejemplo bien conocido que muestra que las moléculas, de hecho, no giran con una velocidad arbitrariamente alta. Me refiero al calor específico anómalo del hidrógeno (y otras moléculas ligeras) a muy bajas temperaturas. A veces se dice que los movimientos de rotación están "congelados". Lo interesante es que podemos identificar un mecanismo que provoca esto: se deriva de la noción de De Broglie de las ondas de materia. Para que el movimiento de rotación sea impulsado independientemente del movimiento de traslación, dependemos de un golpe limpio entre dos moléculas. Esto solo funciona si las moléculas están hechas de pequeñas bolas de billar duras. ¿Qué sucede si las moléculas se mueven tan lentamente que su longitud de onda de De Broglie se vuelve comparable al espacio interatómico? Cuando los átomos entrantes son tan grandes, no se obtiene un golpe limpio que haga girar la molécula objetivo. No puedes evitar golpear ambos átomos a la vez, lo que imparte solo energía de traslación. Ya no puedes impulsar las rotaciones, y por eso baja el calor específico. La ley de los calores específicos se rompe a bajas temperaturas porque el teorema de equipartición no tiene en cuenta la naturaleza ondulatoria de la materia. Sin el teorema de equipartición, no hay catástrofe de cuerpo negro.

En la mecánica cuántica, tiene una distribución de carga, y si rastrea esa distribución de carga a lo largo del tiempo, entonces clásicamente resultaría en radiación. La pregunta es: ¿la radiación calculada de esta manera "semiclásica", calculando la densidad de carga de la mecánica cuántica y luego aplicando las Ecuaciones de Mawell... te da esto la radiación correcta?

Hago la comparación para el caso más simple posible en este par de artículos de blog sobre la transición sp en el hidrógeno, primero haciendo el cálculo de Copenhague con emisión espontánea y luego haciéndolo semiclásico al tratar los átomos de hidrógeno como pequeñas antenas. Obtengo la misma respuesta las dos veces.

Las respuestas deben limitarse a aquellas que realmente respondan a la pregunta.

En el siguiente artículo, el profesor Pierre-Marie Robitaille ha argumentado que la emisión térmica se debe a las vibraciones de los núcleos dentro de la red de un material y, por lo tanto, también de un cuerpo negro:

Robitaille, PM Sobre la validez de la Ley de emisión térmica de Kirchhoff. Trans. IEEE. Plasma Sci ., 2003, v. 31, no. 6, 1263–1267.

La emisión térmica no es lo mismo que la emisión de cuerpo negro.
@Rob Jeffries - Estás equivocado. La emisión de cuerpo negro es emisión térmica. La ecuación de Planck describe los espectros térmicos de un cuerpo negro, pero nada más. Su libro, en el que deriva su ecuación, se titula 'La teoría de la radiación de calor'. Recuerda que calor = térmico.
@Rob Jeffries: su mecanismo (H-dominante) para el espectro continuo de la fotosfera es incorrecto, aunque la teoría solar estándar. Los gases no emiten un espectro continuo; sólo la materia condensada puede hacer eso. Los argumentos a favor de la ampliación de la presión de los espectros de los gases y de los gases ópticamente espesos no producen un espectro continuo en absoluto. Que la fotosfera produzca un espectro continuo atestigua su estado de materia condensada. Esto lo confirman las observaciones de erupciones de erupciones solares, que producen ondas transversales concéntricas en la fotosfera.
@StephenJCrowthers Abordaré su primer punto (su segundo es una fantasía absoluta). Dije que la emisión térmica no es emisión de cuerpo negro, no al revés. Compare el espectro de bremsstrahlung térmico con la función de Planck.
@Rob Jeffries: la emisión de cuerpo negro es una forma de emisión térmica. Planck lo llamó radiación de calor, como en el título de su libro: 'La teoría de la radiación de calor'. La Ley de Kirchhoff se llama Ley de Emisión Térmica de Kirchhoff, o Ley de Radiación Térmica de Kirchhoff. Todos los materiales en equilibrio térmico emiten radiación térmica (es decir, calor) característica a una temperatura dada. Los cuerpos negros emiten lo que se llama radiación negra. La ecuación de Planck describe los espectros térmicos de los cuerpos negros.
@Rob Jeffries: desafortunadamente, está equivocado en el sol. Los gases no emiten espectros continuos. A los científicos solares les gusta aferrarse a un modelo de gas muy antiguo, pero la evidencia física es que el Sol es materia condensada (hidrógeno metálico líquido) como se explica aquí: Robitaille P.-M., Forty Lines of Evidence for Condensed Matter — The Sun on Ensayo: Hidrógeno metálico líquido como bloque de construcción solar, Progreso en física, v.4, pp.90-142, 2013 ptep-online.com/index_files/2013/PP-35-16.PDF
@Rob Jeffries: los gases no pueden producir ni mantener ondas transversales. Las erupciones solares producen ondas transversales concéntricas en la fotosfera, como atestiguan las fotografías del observatorio solar. Por lo tanto, la fotosfera no es un gas, es materia condensada.
Súper, en el clavo. Buena suerte con eso. Solo por interés: ¿qué te hace pensar que los desvaríos de Robitaille son correctos y que todos los demás astrofísicos del mundo están equivocados? ¿O no has leído nada más? Y obviamente todavía no lo entiendes. La radiación de cuerpo negro es radiación térmica, pero no toda la radiación térmica es radiación de cuerpo negro.
@Rob Jeffries: no, te entendí y sé que no todas las emisiones térmicas son negras. Ese es el punto. No todas las emisiones térmicas son negras, por lo que la ecuación de Planck no describe todas las emisiones térmicas, solo las emisiones de cuerpo negro. Es un hecho científico que los gases no emiten espectros continuos y también un hecho científico que los gases no pueden producir o sostener ondas transversales. Las ondas transversales concéntricas se producen en la fotosfera por la erupción de una llamarada solar. Esto ha sido observado y fotografiado. Yo no hice estos hechos; La naturaleza lo hizo. ¿Por qué eres tan hostil?
¿Cuáles son los diversos mecanismos físicos para la transferencia de energía al fotón durante la emisión del cuerpo negro?
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