¿Cuál es el origen de la radiación de cuerpo negro?

Question

Por supuesto que sé lo que radiación de cuerpo negro es, como todos los que han tomado un curso de física térmica o estadística. Pero recientemente se me ha señalado que una cosa que raramente se enseña (incluso a mí) es cuál es el mecanismo de la radiación.

A nivel de partículas, ¿cómo surge la radiación de cuerpo negro (qué proceso radiativo es éste)? En otras palabras, ¿de dónde vienen los fotones?

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Para tal vez aclarar un poco más, tomar prestado un comentario de Kevin Driscoll sobre una respuesta:

El punto de la cuestión es que hay materiales cuyos espectros de emisión están bastante bien descritos por un espectro de cuerpo negro. Y aún así sabemos que a nivel atómico la emisión de fotones es causada por algunas transiciones de la mecánica cuántica. Entonces, ¿cómo es que tal descripción de la mecánica cuántica subyacente da lugar a un espectro de cuerpo negro a temperaturas cotidianas? ¿Cuál es la mecánica que causa que la luz sea absorbida/emitida en todas las frecuencias en lugar de en el conjunto discreto que podríamos esperar de las transiciones electrónicas en átomos aislados?

Con una advertencia mía:

Es una buena afirmación, aunque advierto que la descripción no tiene por qué ser a priori de naturaleza mecánica cuántica - hay radiación en la electrodinámica clásica.

Answer 1

Esa información no está contenida en la radiación bb - todo lo que se puede recoger es un área de emisión y una temperatura.

En la práctica, la radiación puede haber surgido de cualquier proceso en el que sea factible que se produzca un fotón a esa frecuencia.

Por supuesto que para ser un emisor de cuerpo negro debe haber también un 100% de posibilidades de que un fotón de esa frecuencia incidente en el objeto sea absorbido. Esta condición asegura que haya procesos radiativos relevantes que sean capaces de emitir también a esa frecuencia, ya que hay proporciones directas (por ejemplo) entre los coeficientes de Einstein para la absorción y la emisión tanto estimulada como espontánea (lo mismo ocurre con los procesos continuos también).

Para tal vez exagerar, si se postula un objeto hipotético que es incapaz de emitir luz a algunas frecuencias (por ejemplo, un átomo de dos niveles con un coeficiente de emisión espontánea de Einstein A que se aproxima a una función delta en la frecuencia), es posible que nunca sea capaz de hacerlo lo suficientemente grueso como para absorber a esas frecuencias y no podría ser un cuerpo negro. Sin embargo, incluso para un sistema como este es una pequeña posibilidad de absorción a todos frecuencias, debido a la ampliación natural o doppler. Si usted hizo el material ópticamente grueso en todas las frecuencias (es decir, físicamente muy, muy grueso) entonces su salida sería todavía se aproximan a un cuerpo negro.

Por lo tanto, si quisiera responder de manera probabilística, diría que el proceso de emisión relevante más probable será el inverso del proceso de absorción que hace que el objeto de cuerpo negro sea ópticamente grueso en esa frecuencia.

Así, por ejemplo, la radiación de cuerpo negro visible (casi) de la fotosfera del Sol tiene obviamente todas las transiciones ópticas atómicas e iónicas (unas pocas moleculares), pero también la emisión libre y libre que corresponde a la opacidad aportada por los iones (principalmente H $^{-}$ la fuente de opacidad dominante en la fotosfera).