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Diferencia en la radiación térmica en la materia condensada y los gases

En Física cuántica de átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas por Robert M. Eisberg y Robert Resnick escriben los autores:

La materia en estado condensado (es decir, sólido o líquido) emite un espectro continuo de radiación.

¿Qué ocurre con el gas?

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Rob Jeffries Puntos 26630

Si el gas es atómico o molecular, entonces hay muy poca opacidad en el continuo, ya que la absorción de un fotón normalmente tendría lugar en el relativamente distintas longitudes de onda asociadas a las transiciones atómicas y moleculares. La dispersión Rayleigh tiene una sección transversal continua, pero es un proceso elástico.

Dado que existe una relación directamente proporcional entre la eficacia de la emisión y la absorción en cada longitud de onda, entonces en estos casos es probable que el gas sea transparente, o ópticamente delgado en la mayoría de las longitudes de onda. Casi toda su emisión será en forma de líneas discretas, con tal vez un continuo de luz dispersa de lo que lo ilumina. Un cuerpo negro, como requisito mínimo, debe absorber toda la radiación que incide sobre él, por lo que tales gases no pueden emitir como cuerpos negros.

Si realmente hubiera una gran cantidad de ese gas, entonces cosas como ampliación de la línea entran en juego los mecanismos. Hay una pequeña cantidad de opacidad en un amplio rango de longitudes de onda, incluso para transiciones discretas, debido al ensanchamiento doppler, el ensanchamiento de la presión, el efecto Stark y otros. Esta pequeña opacidad, combinada quizás con el aumento de la longitud del camino óptico causado por la dispersión, podría hacer que el gas fuera ópticamente grueso en un amplio rango de longitudes de onda. En ese caso, podría aproximarse a un cuerpo negro. No se me ocurre ningún ejemplo.

Si se calienta y se ioniza/parcialmente el gas, entonces las opciones de opacidad del continuo se incrementan considerablemente. La absorción libre, el bremsstrahlung inverso, la dispersión Compton, la absorción fotoeléctrica y la producción de pares son ejemplos de mecanismos que producen una opacidad del continuo. Se requiere una cantidad mucho menor de tales gases (o plasmas, si se insiste) para llegar a ser ópticamente gruesos y aproximarse a los cuerpos negros. Los ejemplos incluyen la superficie visible de las estrellas, o incluso mejor, los interiores de las estrellas - que no podemos ver en ninguna longitud de onda, ¡porque todas las longitudes de onda son absorbidas!

La regla básica es que si la radiación puede atravesar un objeto, éste no emitirá radiación de cuerpo negro

EDIT: Quizás el mejor ejemplo de las diferentes propiedades de los gases ionizados y atómicos se encuentra en el universo primitivo. Cuando el universo era más caliente que $\sim 3000$ K, había suficientes electrones libres y opacidades libres para mantener el universo opaco en todas las longitudes de onda, lo que llevó a la emisión de radiación de cuerpo negro. El universo se enfrió, los electrones e iones se combinaron para formar átomos y el universo se volvió transparente a la radiación. Por eso el fondo cósmico de microondas se parece a la radiación de cuerpo negro en $\sim 3000$ K, desplazado al rojo en la región de las microondas por la expansión del universo.

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JRT Puntos 97

En un sólido o un líquido, los electrones de las bandas de valencia y de conducción están distribuidos de forma aproximadamente uniforme, por lo que tenemos una distribución continua de electrones en todo el material. Por contrato en un gas tenemos átomos o moléculas muy separadas por el vacío donde no hay electrones.

La razón por la que esto es importante es que la radiación mencionada en la cita, radiación del cuerpo negro se produce principalmente por las oscilaciones de la densidad de electrones. El movimiento térmico hace que los átomos oscilen y esto produce cambios en la densidad de electrones. Esto a su vez produce dipolos eléctricos oscilantes, y esos dipolos emiten la radiación de cuerpo negro.

En un gas a las temperaturas y presiones cotidianas esto no puede ocurrir porque los átomos o moléculas del gas están demasiado espaciados. No hay una distribución continua de electrones para oscilar y, por tanto, los gases no emiten radiación de cuerpo negro. La radiación emitida por los gases consiste generalmente en líneas nítidas relacionadas con transiciones rotacionales o vibracionales.

Si se comprime un gas hasta una densidad muy alta, puede emitir radiación de cuerpo negro de forma similar a como lo hace un líquido. Sin embargo, esto requiere normalmente presiones extremas que no se encuentran fuera de los laboratorios de física o de los cuerpos astronómicos.

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