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

Question

Por conservación de la energía, el sólido queda en un estado energético inferior tras la emisión de un fotón. 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 alguna parte durante la emisión, e ir a alguna parte durante la absorción.

La energía en un sólido puede almacenarse como energía cinética y potencial de los electrones y los núcleos, ya sea individualmente o en modos colectivos como los fonones y los plasmones. En equilibrio térmico, la energía se almacenará en mayor o menor medida en diversas formas dependiendo de la temperatura y del material. Sin embargo, aunque la mayor parte de la energía térmica de un determinado sólido a la temperatura $T$ se almacena en forma de fonones, podría ser que los fonones interactuaran principalmente con la luz de forma indirecta a través de los 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, me parece lógico 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 aislantes son transparentes a la luz (visible y ultravioleta) con energía inferior a su banda prohibida. Sin embargo, una vez que se entra en energías en el IR y por debajo, o en los rayos X y por encima, otros mecanismos aparentemente toman el control. Por ejemplo, en el extremo de alta energía del espectro he oído que los rayos gamma pueden interactuar directamente con los grados de libertad nucleares, lo cual es razonable si se tiene en cuenta que los rayos gamma se emiten durante muchas reacciones nucleares.

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

¿Qué procesos físicos median la transferencia de energía durante la emisión del cuerpo negro y en qué rangos de energía son dominantes los distintos procesos?

Answer 1

De Los fotones no tienen tiradores de guisantes (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 equiparación de la mecánica clásica. Sin embargo, es interesante sin embargo, pensar en el mecanismo real en detalle. ¿Por qué exactamente todas las frecuencias del campo de radiación reciben la misma cuota de energía? El teorema de equipartición es especialmente fácil de entender para el caso de las moléculas diatómicas rígidas, donde la energía se reparte por igual entre los cinco modos: tres traslacionales y dos rotacionales. Si la velocidad media de traslación de una molécula es de 500 m/seg, entonces la velocidad tangencial media de una molécula que gira, tomada en torno a su centro de masa, es también de 500 m/seg. Así es como funciona la equipartición para energía mecánica. La pregunta es entonces: ¿cómo se convierte esta energía mecánica mecánica en energía electromagnética radiante? * La forma más sencilla es permitir que las moléculas tengan un momento dipolar *. Especies como el O2 y el N2 serán, por supuesto, eléctricamente equilibrada (por eso la luz pasa a través de ellas tan fácilmente) pero casi cualquier molécula compuesta por dos átomos diferentes tendrá algún momento dipolar. Cuando se le da movimiento de rotación, se convierte en un antena. Y como antena, irradia. ¿Cuál es la frecuencia de la radiación? Es simplemente la frecuencia de rotación de la molécula: es decir, la velocidad tangencial dividida por el radio. El problema de problema se produce si dejamos que el radio sea muy pequeño. Cuanto más pequeña sea la distancia interatómica, mayor es la frecuencia radiada por la molécula giratoria. En teoría no hay límite a lo pequeña que puede ser la molécula y la frecuencia resultante. Sin embargo, existe Sin embargo, hay un ejemplo bien conocido que demuestra que las moléculas no giran con una velocidad arbitraria. Me refiero al anómalo calor específico del hidrógeno (y de 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 lo provoca: se deriva de la noción de de Broglie de ondas de materia. Para que el movimiento de rotación sea conducido independientemente del movimiento de traslación, nos basamos en un golpe limpio entre dos moléculas. Esto sólo funciona si las moléculas están hechas de pequeñas y duras bolas de billar. ¿Qué ocurre si las moléculas se mueven tan lentamente que su longitud de onda de Broglie es comparable a la espacio interatómico? Cuando los átomos entrantes son tan grandes, no se consigue se consigue un golpe limpio que haga girar a la molécula objetivo. No se puede no puedes evitar golpear ambos átomos a la vez, lo que imparte energía de traslación solamente. Ya no puedes impulsar las rotaciones, y por eso el calor específico disminuye. 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 existe la catástrofe del cuerpo negro.

Answer 2

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

Hago la comparación para el caso más simple posible en este par de artículos del blog sobre la transición s-p en el hidrógeno, haciendo primero la Cálculo de Copenhague con emisión espontánea y luego hacerlo semiclásicamente tratando los átomos de hidrógeno como pequeñas antenas. Obtengo la misma respuesta las dos veces.

Answer 3

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 tanto, también de un cuerpo negro:

Robitaille, P.M. Sobre la validez de la ley de Kirchhoff de la emisión térmica. IEEE Trans. Plasma Sci ., 2003, v. 31, nº 6, 1263-1267.