El modelo común y práctico para un cuerpo negro es un agujero dentro de una cavidad, e incluso las estrellas pueden adaptarse a este modelo. Mi pregunta es ¿cómo hacer que cualquier otra cosa, como un trozo de metal a una temperatura constante, encaje en este modelo?
Respuestas
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Se ajusta al modelo de una cavidad con un pequeño agujero en virtud del hecho de que la mayoría de los fotones emitidos por el metal son absorbidos por el metal. Solo los fotones emitidos en la superficie visible logran escapar. Esto garantiza que la radiación se "procese" y entre en equilibrio a la misma temperatura que el metal. Decimos que el metal es "ópticamente grueso" para su propia radiación o cualquier radiación incidente sobre él. De la misma manera, la mayoría de los fotones emitidos por las paredes de una cavidad no escapan a través de un pequeño agujero, son reabsorbidos por las paredes y cualquier radiación incidente sobre el agujero no reaparece.
Esta es también la razón por la cual una estrella (o al menos algunos tipos de estrellas) emiten radiación que se asemeja a la que emerge de un pequeño agujero en una cavidad caliente. En ambos casos (metal o estrella), el espectro se asemeja más al de un cuerpo negro si la radiación emergente proviene de una región cercana a isotérmica; esto requiere que la absorción sea aproximadamente independiente de la longitud de onda.
Vadim
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Uno tiene que distinguir entre cuerpo negro y radiación de cuerpo negro (ver, por ejemplo, la discusión en el hilo Cuerpo negro vs. Radiación térmica.) El segundo es radiación en equilibrio térmico, que, en la física moderna, se puede derivar sin recurrir al concepto de cuerpo negro, por ejemplo, simplemente comenzando desde la distribución de Boltzmann de un gas de fotones.
Cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación incidente en él y luego la reemite, por lo tanto, se encuentra en equilibrio con la radiación circundante, lo que proporciona otra forma de derivar el espectro de radiación de cuerpo negro.
Un trozo de metal calentado a 3000K obviamente no está en equilibrio con su entorno, por lo tanto no es un cuerpo negro. Sin embargo, se puede ver como un cuerpo en equilibrio térmico interno, y la radiación que deambula en su interior (emitida por algunos átomos y absorbida y reemitida por otros) está en equilibrio térmico, es decir, se puede describir como radiación de cuerpo negro. La radiación emitida por dicho objeto (durante un tiempo de observación corto) constituye solo una pequeña fracción de la energía de radiación almacenada en su interior. Por supuesto, si observamos este objeto el tiempo suficiente, la descripción de quasi-equilibrio para la radiación en él no se sostiene: el objeto perderá gradualmente más energía, llegando eventualmente a un equilibrio con su entorno.
Un caso más interesante es el Sol con fuentes internas de energía - ver ¿Cómo se convierte la radiación en radiación de cuerpo negro? para más discusión.
