¿Por qué los buenos absorbentes también son buenos emisores?

Question

Leí que los buenos absorbentes son buenos emisores - ¿por lo tanto un cuerpo negro, que absorve todo tipo de radiación, también emite todo tipo de radiación? No logro entender esto.

¿Qué significa absorber todo tipo de radiación? ¿Radiación de todas las frecuencias? ¿o estamos diciendo que $100\%$ de la radiación incidente en un cuerpo negro es absorbida? ¿Ninguna es reflejada? ¿Entonces, cómo puede ser un buen emisor?

¿Estoy confundiendo buen emisor y buen reflector? Agradecería algunas aclaraciones. ¡Gracias!

P.D. Estoy regresando a Physics SE después de años. Estoy especializándome en matemáticas, pero decidí tomar un curso de física cuántica por diversión de todos modos. ¡Por lo tanto, estoy de vuelta aquí para la primavera!

Answer 1

Sí, un buen emisor y un buen reflector definitivamente no son la misma propiedad. Tal vez la mejor manera de visualizarlo es simplemente como la inversa del tiempo, bajo el mapeo $t\mapsto-t$, de la absorción es la emisión. Esto también da una idea de por qué esta relación podría mantenerse, aunque solo conozco la derivación para el caso de la radiación térmica.

Para la radiación térmica, se colocan dos cuerpos de la misma temperatura en contacto radiativo, uno de un material, otro del otro. Si alguno emite más radiación de la que absorbe, entonces se enfría espontáneamente y el otro se calienta espontáneamente, violando la segunda ley de la termodinámica. Argumento muy simple. Puede requerir sellar los dos en alguna configuración idealizada de espejos o algo así, para que la prueba funcione, pero aparte de eso parece tener una relevancia física inmediata.

Answer 2

Un cuerpo negro debe estar en equilibrio térmico. Por lo tanto, si absorbe todo lo que incide sobre él, debe emitir la misma cantidad de radiación. En principio, esto debería ser cierto para todas las frecuencias. Si no lo es, entonces el objeto no es un cuerpo negro.

A nivel microscópico, esto se reduce al principio de balance detallado, que dice que para sistemas en equilibrio, cada proceso debe estar en equilibrio con su proceso inverso.

Cuando se trata de la absorción y emisión de luz, bueno, estos son los procesos inversos respectivos el uno del otro. Si ponemos un objeto en equilibrio (encerrado en un baño de calor, por ejemplo) entonces debe ser cierto que los procesos de absorción y emisión están en equilibrio (como en un cuerpo negro). Sin embargo, la relación que podríamos derivar en esta situación entre los coeficientes de Einstein que rigen la emisión y absorción a nivel microscópico son propiedades del material en sí, y no son influenciados por el hecho de que esté en equilibrio. Por lo tanto, es generalmente cierto que un objeto que es un buen absorbedor también es un buen emisor, independientemente de si está en equilibrio o no.

La reflexión es un asunto totalmente diferente. Si un objeto refleja luz, entonces esa luz obviamente no se absorbe. Por definición, un objeto reflectante no puede ser un cuerpo negro y es tanto un mal absorbedor como emisor.

Answer 3

Según Wikipedia:

Cuerpo negro:
Un cuerpo negro o blackbody es un cuerpo físico idealizado que absorbe toda la radiación electromagnética incidente, independientemente de la frecuencia o ángulo de incidencia. El nombre "cuerpo negro" se le da porque absorbe radiación en todas las frecuencias, no porque solo absorba: un cuerpo negro puede emitir radiación de cuerpo negro.

Por lo tanto, puedes ver que un cuerpo negro emite radiación. Un cuerpo negro ideal no solo debe absorber radiaciones de todas las frecuencias, sino que también no debe reflejar ni transmitirlas. Un cuerpo negro ideal debe tener dos propiedades importantes:

• El cuerpo debe ser un emisor ideal, es decir, en cada frecuencia debe emitir radiación tanto como cualquier otro cuerpo a esa temperatura.
• También debe emitir energía isotrópicamente, es decir, uniformemente en todas las direcciones.

Para agregar a estos puntos, un cuerpo negro primero absorbe todas las radiaciones electromagnéticas con las que entra en contacto. Y luego emite radiación térmica. Para ser más claro, un cuerpo negro perfecto es uno que es un absorbedor perfecto y un emisor perfecto de todo tipo de radiación. Por lo tanto, puedes considerar nuestro sol (así como otras estrellas) como un cuerpo negro casi perfecto.
Espera un minuto, ¿el sol absorbe luz?
¡Créeme o no, lo hace!
Y, eso es una de las cosas más locas que he escuchado hasta ahora. Puedes encontrar más detalles al respecto aquí en Astroquizzical

Ahora, pasando a tu pregunta.
Probablemente estás confundiendo el significado de reflexión y emisión.
Según Wikipedia,

Reflexión: La reflexión es el cambio de dirección de un frente de onda en una interfaz entre dos medios diferentes para que el frente de onda regrese al medio del que se originó.

Emisión:
En física, la emisión es el proceso por el cual un estado mecánico cuántico de una partícula de mayor energía se convierte en uno más bajo a través de la emisión de un fotón, lo que resulta en la producción de luz.

Es claro a partir de sus definiciones que la reflexión es el proceso por el cual la dirección de un rayo de luz cambia después de golpear una interfaz. Mientras que la emisión es el proceso por el cual un objeto emite luz por sí mismo al absorber energía.

Answer 4

Todos los cuerpos emiten radiación a todas las temperaturas. Es porque (el cuerpo) da su energía térmica a los electrones al cambiar su nivel de energía (de un nivel de energía más bajo a uno más alto) y después, cuando los electrones regresan a su nivel de energía inicial, emiten radiación electromagnética. ¿Y por qué el cuerpo cambia la energía térmica en radiación? Es porque busca el equilibrio térmico con el entorno. Así es como irradia energía. Y cuando la radiación emitida por los cuerpos circundantes cae sobre la superficie de este cuerpo, absorbe parte de ella y refleja la otra (porque esta radiación es una onda EM al igual que una onda de luz). Esto aumenta la temperatura del cuerpo. Por lo tanto, para mantener su temperatura igual a la temperatura ambiente, emite más radiación. Por lo tanto, si un cuerpo absorbe más radiación, entonces debe emitir más. Por eso, los buenos absorbentes también son buenos emisores.

Answer 5

Otros han dado buenas respuestas, así que solo agregaré sabor...

Por extraño que parezca, la absorción no es lo opuesto a la emisión, al menos no la emisión ordinaria que vemos todos los días de bombillas, fuego o LED. Todas esas son emisiones espontáneas. En cambio, la absorción es lo opuesto a la emisión estimulada, que es lo que nos da los láseres: si tienes un electrón excitado más un fotón entrante con la energía adecuada, el fotón puede hacer que el electrón emita otro fotón más o menos idéntico al primero. Pero ese fotón también podría ser reabsorbido y excitar electrón de nuevo desde el estado basal, devolviéndote al punto de partida. Si tienes una absorbación neta o una emisión neta (espontánea) depende de si comienzas con >50% de tus electrones en el estado excitado.

Aun así, puedes demostrar que la intensidad de absorción, emisión estimulada y emisión espontánea son directamente proporcionales entre sí, como señaló el ProfRob. La derivación podría haberle valido a Einstein un Premio Nobel (¡láseres!) si no le hubieran dado uno por el efecto fotoeléctrico, de todas las cosas.