¿Por qué los átomos (por ejemplo, el hierro) brillan con todas las frecuencias de luz cuando se exponen a suficiente radiación térmica?

Question

Corríjame si me equivoco, pero los objetos (hechos de átomos constituyentes) brillan con una frecuencia particular de luz que nuestros ojos relacionan como color.

Brillan cuando una partícula en un estado cuántico de energía más alta se convierte en uno más bajo mediante la emisión de un fotón. Y la diferencia de energía entre los dos estados se correlacionará con la frecuencia del fotón.

Entonces cuando miramos un espectro de emisión vemos muchos colores que se ven desde una muestra, ¿por qué hay tantos (más de uno)? ¿Es porque hay muchos niveles de energía y la diferencia entre estos niveles de energía varía? ¿Es porque los electrones son promovidos y degradados de n=2 a n=1, n=3 a n=2, n=4 a n=3? ¿Pero no son también inestables estos estados de energía, no emitirán todos fotones hasta que alcancen n=2?

¿Es por eso que la radiación electromagnética del hierro primero está dentro del rango infrarrojo y luego progresa al rango de luz visible porque los electrones ahora están en niveles de energía lo suficientemente altos como para que la frecuencia de los fotones pueda ser detectada por nuestros ojos?

Answer 1

Brillan cuando una partícula en un estado cuántico de energía más alta se convierte en uno más bajo mediante la emisión de un fotón.

Ese es uno de los métodos de emisión. Debido a que los átomos individuales (y las moléculas pequeñas) tienen un número relativamente pequeño de configuraciones estables, los tipos de emisiones posibles a partir del decaimiento de una sola partícula es limitado.

Pero en sistemas densos y de alta temperatura, la emisión de una partícula aislada ya no es dominante. En su lugar, las colisiones e interacciones entre las partículas hacen que las cargas (electrones) se aceleren. Las cargas aceleradas emiten radiación, y esta radiación no está asociada con un cambio en la configuración atómica/molecular.

Debido a que no hay una configuración discreta involucrada, solo varias tasas de aceleración, las líneas discretas de un espectro de emisión no están presentes.

Answer 2

La materia se encuentra en fases: sólido, líquido, gas, plasma

Los átomos/moléculas individuales se unen en retículas cuando están en estado sólido, se encuentran en estados colectivos en estado líquido, libres en estado gaseoso, e ionizados principalmente en plasma.

Transiciones en los niveles de energía atómica que uno puede imaginar solo son detectables en gases y plasma, donde los cambios en n,l,m y la emisión y absorción resultante de fotones espectrales pueden ser detectados, aunque también existe fotones continuos de interacciones en los campos eléctricos y magnéticos derramados.

En sólidos, hay una gran cantidad de niveles de energía que están relacionados con la retícula, lo que significa que habrá transiciones en los estados rotacionales y vibratorios que no tienen nada que ver con las transiciones atómicas. Estas transiciones son la radiación del cuerpo negro, y son dependientes de la energía. También existen en el gas debido a la energía cinética. Como se menciona en la radiación del cuerpo negro, que caracteriza la temperatura de un cuerpo. Mientras mayor sea la temperatura, más fotones en el espectro visible.

Observa la alta temperatura, son las altas temperaturas las que nos dan la luz observada del sol.

Así que sí, hay muchos niveles de energía, pero es la energía cinética la que domina a altas temperaturas y proporciona un continuo de frecuencias de acuerdo con el cuerpo negro, o aproximadamente (las líneas espectrales atómicas pueden ser filtradas en un plasma, pero es el tipo de radiación del cuerpo negro que predomina).

Ahora, para el hierro y los metales en general, los colores apenas tocarán lo visible, ya que las temperaturas están entre 770 y 1480K

Answer 3

Supongo que con esta pregunta lo que estás preguntando es "¿cuál es el mecanismo de emisión de radiación térmica por un objeto caliente?"

La respuesta a esto es que, efectivamente, no hay un mecanismo único, porque el movimiento térmico es, en cierto sentido, el movimiento "más aleatorio" que un sistema físico puede tener. Desde un punto de vista mecánico clásico, las partículas cargadas que se agitan aleatoriamente emitirán un campo de radiación aleatorio a medida que producen pequeñas fluctuaciones en el campo cercano a ellos, que luego deben propagarse hacia afuera como ondas, según las ecuaciones de Maxwell. En la superficie, estas ondas pueden escapar del objeto. Si quieres pensar en esto, piensa en mojar tus dedos en agua y luego agitarlos. No hay un solo tipo de movimiento que produzca esta radiación, sino que se debe a todos sus movimientos no lineales y acelerados juntos que perturban el campo electromagnético.

Por supuesto, la predicción que se deriva si uno toma esto en serio es que la potencia termina siendo efectivamente infinita: la famosa "catástrofe ultravioleta", y eso obviamente es basura, así que necesitamos hablar sobre mecánica cuántica. En el caso de la mecánica cuántica, las partículas están más estructuradas en cuanto a cómo pueden cambiar sus energías, y esto es lo que obvia la dificultad, pero de todas formas todos las transiciones posibles, que pueden resultar en la emisión de un fotón, están en juego y todas ellas contribuirán a la radiación, al igual que todos los movimientos que en la mecánica clásica resultarían en emisión están en juego en el escenario clásico. Esto puede incluir transiciones de capa, pero también puede incluir, y especialmente en metales, transiciones en niveles de banda también.

En el sentido más general, las emisiones térmicas resultan de la excitación de cada posible forma en la que la energía es capaz de escapar del sistema a nivel microscópico, no, de hecho, cada forma posible, punto: en teoría, incluso podrían excitar macroscópicamente escapes como la eyección de una porción del material en una fractura espontánea, pero las probabilidades de estas son incalculablemente pequeñas y, por lo tanto, "suprimidas" efectivamente. (La versión microscópica de esto - eyección de átomos individuales - sí ocurre con relativa frecuencia, y esto resulta en evaporación.) Esto también no solo es cómo es posible la radiación (excitación térmica de trayectorias de escape radiativas) sino también la conducción: también se puede entender como la excitación térmica de modos de escape donde la energía escapa al transferirse cinéticamente a la materia vecina.

Answer 4

Como puedes ver a tu alrededor, en las bajas temperaturas en las que nos encontramos, todos los cuerpos sólidos tienen un color específico. El Sol brilla sobre ellos con el espectro continuo de un cuerpo negro a alrededor de 6000 (K), lo que significa que hay muchos fotones con diferentes frecuencias llegando. En este caso, todos los objetos sólidos tienen un color específico porque las transiciones electrónicas (excitación y relajación) en los átomos (o en las moléculas constituyentes del objeto) que describes son diferentes para todos estos objetos, y son posibles gracias a las diferentes frecuencias de los fotones que provienen del Sol (la radiación del cuerpo negro de estos objetos a la baja temperatura en la Tierra puede ser ignorada; ninguna de esta radiación se puede ver).

Ahora, si estuviéramos mucho más cerca del Sol, la temperatura en la Tierra aumentaría y la temperatura de todos los objetos en consecuencia. Se establecería un nuevo equilibrio térmico dinámico con el Sol (dinámico, debido al día y la noche en la Tierra, pero esa es otra historia; es importante sin embargo porque si la Tierra siempre estuviera de frente al Sol, la temperatura de la superficie en el lado iluminado de la Tierra sería demasiado alta para que la mayoría de los objetos existieran, mientras que en el lado oscuro no habría nada qué ver). La mayoría de los objetos que tienen un color en la Tierra en la que vivimos aquí y ahora se quemarían (o evaporarían) antes de convertirse en un objeto que emite radiación de cuerpo negro (si estamos lo suficientemente cerca del Sol) de la cual podemos ver la parte visible. Pero algunos objetos "sobrevivirán" para que podamos verlos brillar (como muchos metales, o, digamos, vidrio) y dominar el espectro de emisión-absorción.