¿Cómo hace el concepto de un "cuerpo negro" en cualquier sentido?

Question

En mi introductorio de la clase de química, estamos aprendiendo acerca de los fundamentos de la mecánica cuántica. Nos presentaron el concepto de espectros de emisión y absorción. Nuestro libro de texto se describe cómo los electrones sólo pueden existir en ciertos niveles de energía, y los paquetes de energía absorbida y emitida en la transición entre estos niveles dan lugar a espectros de absorción y emisión.

A continuación, el libro pasa a describir un cuerpo negro como un hipotético objeto que puede absorber y emitir en todas las longitudes de onda. Entiendo que esto es sólo un hipotético objeto, pero ¿cómo que aún tienen sentido si los electrones sólo pueden existir en ciertos niveles de energía? Además, el libro inmediatamente pasa a describir las cosas como la ley de Stefan-Boltzmann y la ley de Wien y de todos los tipos de gráficos de cómo la temperatura y de la intensidad y longitud de onda de un cuerpo negro se relacionan entre sí. Pero si un cuerpo negro es de carácter teórico, ¿cómo podemos siquiera saben de estas relaciones?

Estoy completamente confundido acerca de todo el concepto de un cuerpo negro.

Answer 1

Esta fue la primera pregunta que le hice a mi astrofísica mentor cuando me internado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro. Es una gran pregunta que muchas personas no preguntan por un largo tiempo.

Cuando usted tiene un átomo individual, se obtiene un conjunto distinto de la energía de los electrones de los niveles donde se puede excitar a un gas y tienen que saltar hacia abajo de un nivel de energía. A la primera orden esto también funciona bien para describir la luz observada desde muy débilmente interactuantes estados de la materia (como los gases). Sin embargo las cosas se complican en la condensación de los estados donde las interacciones que ahora importa.

Básicamente lo que ocurre aquí es que cuando llevas independiente de los átomos juntos, el wavefunctions para sus electrones pareja juntos, y se obtiene el nivel de energía de la división, que básicamente significa que los dos átomos que, individualmente, tiene 2 niveles de energía en$\epsilon_i$, en lugar de terminar con dos distintos niveles de energía en$\epsilon_{i+\delta}$$\epsilon_{i-\delta}$. Esta división se produce en todo el estado sólido y como N átomos de entrar en el estado sólido se crea lo que se llama una banda de energía, que se asemeja a un continuo. Los detalles son todo depende del material así, un buen modelo de referencia permitiría nos preguntas esenciales y, a continuación, el estudio de cómo el sistema en cuestión se desvía del modelo. Que es donde el cuerpo negro. Se asume una densidad igual que la de los estados en todo el medio, con este "cuantificada" continuum marco que QM demandas.

Enriquecimiento Cultural: La energía media de $\epsilon_{i+\delta}$ $\epsilon_{i-\delta}$ no $\epsilon_{i}$ , pero un poco menos. Usted puede conocer el caso de dos átomos en una subclase de esta interacción como la vinculación y anti-unión orbital.

Enriquecimiento de 2: Puede utilizar la estadística de la mecánica de un oscilador armónico para el modelo de la radiación del cuerpo negro.

Answer 2

La radiación del cuerpo negro fue uno de los primeros indicios de que la energía electromagnética es cuantificada.

A medida que la temperatura disminuye, el pico de la radiación del cuerpo negro se mueve la curva de menor intensidad y mayor longitud de onda. La radiación del cuerpo negro gráfico es también la comparación con el modelo clásico de Rayleigh y Jeans.

Clásica de la teoría electromagnética que quería que la radiación emitida por un cuerpo a una temperatura específica a ser continua tenido la llamada catástrofe ultravioleta, la curva a la derecha. Los datos no siguen la clásica distribución. Planck de la ley que requiere que la radiación electromagnética viene en paquetes llamados fotones (cuantos de energía, E=h*nu,), es decir, que las moléculas no se irradian en el continuum, pero a partir de niveles específicos, se describen los datos como se muestra en los experimentos. Este video de youtube tiene un experimento y algunas curvas a las 6:46.

La curva teórica se calcula asumiendo un metal cavidad donde estos quanta se recuperó alrededor y, a continuación, uno de ellos miraba a un pequeño agujero para ver qué sale. Un cuerpo negro es un cuerpo que contiene la radiación procedente de la energía molecular niveles y se irradia desde la superficie . Los cuerpos reales tienen constantes de la modificación de la fórmula, pero la idea básica se mantiene.

Estás en lo correcto, la cuantificación es crucial para describir el espectro de la teoría, y la radiación proviene de desplazamiento de electrones a niveles de energía superiores por la energía cinética de la red ( la temperatura es la energía cinética media) y, a continuación, la de la excitación por la liberación de un fotón.

A continuación, el libro pasa a describir un cuerpo negro como un hipotético objeto que puede absorber y emitir en todas las longitudes de onda. Entiendo que esto es sólo un hipotético objeto, pero ¿cómo que aún tienen sentido si los electrones sólo pueden existir en ciertos niveles de energía?

Una mole de la materia ha ~10^23 átomos/moléculas. En una red de este es aún un enorme número de junto partículas, cada una con vibracional y rotacional de los niveles que contribuyen a la temperatura de su energía cinética. Cada individuo de la transición está cuantizada, la saque de una molécula que se obtiene de la celosía y un electrón pasa de un nivel de energía más alto, y luego decae de nuevo , todos son cuantificadas en un individuo de electrones nivel. La declaración "puede absorber y emitir en todas las longitudes de onda" cubre este gran multiplicidad de niveles de energía y las moléculas, casi un continuo debido a la gran cantidad de fotones de un gran número de niveles . Si pudiera hacer que clásicamente ( como el clásico negro cuerpo tenía la misma suposición) que daría la discrepancia con los datos , los rayos ultravioletas de la tragedia.

Además, el libro inmediatamente pasa a describir las cosas como la ley de Stefan-Boltzmann y la ley de Wien y de todos los tipos de gráficos de cómo la temperatura y de la intensidad y longitud de onda de un cuerpo negro se relacionan entre sí. Pero si un cuerpo negro es de carácter teórico, ¿cómo podemos siquiera saben de estas relaciones?

El negro del cuerpo teórico de la fórmula es validado por medio de experimentos. Lo mismo es cierto por todos los fórmulas que utilizan como base la radiación de cuerpos negros, que son validados por los datos experimentales. Es la forma en que la física avanza. Los modelos teóricos propuestos, se comparan con los datos y, en caso de acuerdo, el modelo es validado y es útil para aplicaciones. Las relaciones son derivados por el uso de la física de las relaciones/ecuaciones tal como se aplica al problema. Se comprueba con los datos de validación. Todas estas leyes y fórmulas han sido verificados con los datos correctamente y es por eso que se utilizan en las situaciones apropiadas.

Answer 3

Su confusión es tal vez debido a que el término "objeto teórico". No tiene nada que ver con la continua o discreta naturalezas de los niveles de energía; simplemente significa que un cuerpo negro no tiene ninguna reflexión. [En realidad, cualquier cuerpo refleja parte de la radiación sobre su superficie.] Un objeto de hollín puede ser una aproximación para un cuerpo negro. Creo que de un cuerpo negro como una cámara que contiene la radiación térmica (tanto como la de un gas). [No hay que pensar en términos de electrones', los niveles de energía en el objeto. De hecho, la realización de los cuerpos negros, es una cámara con muy pequeño agujero de la radiación ir.]

Ahora la pregunta es: el nivel de energía de la radiación en la cámara es continua o discreta? Es, más bien, muy cerca de la continua debido a que la cámara es bastante grande, como Wolphram Jonny comentó. Sin embargo, una absoluta continuo de la energía del espectro del objeto conduce a la divergencia de la energía total a causa de las ondas cortas (ultra-violeta de la divergencia). Esto condujo a la hipótesis de Planck sobre la naturaleza discreta del espectro de la energía, que fundó la mecánica cuántica.

Esta es la forma en que la mecánica cuántica es introducido en algunos de los viejos libros de texto. Sin embargo, me parece bastante confuso siguiendo el desarrollo histórico (los físicos se confunden a sí mismos durante el tiempo). Si usted también es confuso, puede que desee para tratar de Sakurai Moderna de la Mecánica Cuántica.

Answer 4

El cuerpo negro de la termodinámica, es una abstracción, como punto de masa en la mecánica. Puede ser aproximada, pero nunca se dieron cuenta de la perfección. En aras de la simplicidad nos deshacemos de la reflexión (color) y otros material de detalle y estudio de un hipotético cuerpo que absorbe y emite en todas las longitudes de onda. Esto hará que todos los cálculos relacionados más fácil.

Además, hay muchos más tipos de mecanismos detrás de la emisión y absorción de electrones transiciones. Hay phonon excitaciones (infrarrojos y microondas), ionización (rango UV) etc. El concepto de cuerpo negro le ayudará a olvidar todo acerca de este detalle.

Planck demostró que si la radiación electromagnética se emite y se absorbe en quanta (después de una cierta regla), entonces se calcula el espectro de cuerpo negro se ajusta el medido (extrapolados a partir de experimentos de laboratorio). Su deducción era puramente estadístico, él no hizo ninguna hipótesis sobre la naturaleza específica de la interacción entre la radiación y el material. Así que incluso si no hubiera orbitales o incluso los átomos de su resultado sería todavía válida, a condición de que la radiación se cuantifica por supuesto.

Answer 5

Un cuerpo negro es algo que está en equilibrio térmico y absorbe toda la radiación incidente sobre él. Es un ideal teórico, pero puede ser bastante frecuentemente abordada en la naturaleza. Un hipotético material que sólo podía absorber la luz en muy bien definidos, frecuencias discretas, pero era de otra manera transparente o reflectante no podía irradiar como un cuerpo negro.

La habitual "modelo" de un cuerpo negro es tomar un recipiente grande, coloca en un baño de calor que asegura que se mantiene a una temperatura determinada y, a continuación, abrir un pequeño agujero en el lado. Cualquier radiación incidente sobre el agujero va a desaparecer en el interior de la cavidad con una mínima posibilidad de rebotar dentro y re-emergentes desde el agujero.

Pero supongamos que fuera a hacer el interior de la cavidad con un material que sólo absorben luz de una determinada frecuencia correspondiente a la transición entre dos niveles de energía en un átomo. En todas las otras frecuencias de la luz se dispersa (suponiendo que para los propósitos de nuestro experimento de pensamiento, que las paredes de la cavidad no son transparentes!) y que rebote por el interior de la cavidad hasta que, finalmente, encontró el agujero y volver a emerger. Ahora, porque nos están dejando todo lo que alcanzar un punto de equilibrio en algunos de temperatura determinado por el baño de calor debe ser igual cantidad de luz eventos de emisión como de absorción de la luz de los eventos, de forma que la proporción de la población de átomos en el nivel 2, para aquellos en el nivel 1 se mantiene constante y es igual a la relación de las poblaciones que usted esperaría en esa temperatura.

Resulta que con el fin de lograr este balance detallado, el origen de la función (el ratio de emisión de coeficientes de absorción) tiene que ser igual a la de Planck cuerpo negro en función de la temperatura. Eso significa que la luz que emerge desde el agujero será un cuerpo negro a la frecuencia correspondiente a la transición, pero no puede ser un cuerpo negro en todas las frecuencias. Por ejemplo, si usted despedido de luz monocromática en la cavidad a una frecuencia que no podía ser absorbido, luego con el tiempo llegaría justo en mucho de luz monocromática saliendo del agujero - que evidentemente no es un cuerpo negro.

En bienes materiales, la pregunta es - ¿hay bastante probabilidad de que una cierta clase de absorción puede tener lugar en todas las frecuencias? La cuestión clave: ¿hay suficiente probabilidad de absorción por lo que un fotón en que frecuencia tiene poca probabilidad de que el hecho de volver a salir a través del agujero? Si es así, entonces la absorción y emisión de los procesos de llegar a un equilibrio en el que la frecuencia tal que la radiación en esa frecuencia en la cavidad es igual a la del cuerpo negro en función de la temperatura. Si eso es cierto en todas las frecuencias, a continuación, la radiación se tiene un espectro de cuerpo negro.

Dado que en los materiales reales/gases, los niveles de energía son ampliados a través de varios procesos, no es el movimiento que provoca el ensanchamiento doppler, hay otros mecanismos físicos además de bound bound transiciones (por ejemplo, libre de absorción por la inversa de la radiación de frenado, vinculado libre de photoionisation y así sucesivamente), resulta que a menudo no es suficiente probabilidad de que los fotones se absorben y se viene en equilibrio con el material, de modo que un cuerpo negro es una aproximación decente. Por otro lado las situaciones reales no tiene un "agujero pequeño" - por lo tanto, el Sol sólo se aproxima a la de un cuerpo negro; en realidad cerca de la parte superior de la fotosfera fotones son capaces de escape libremente, así que lo que vemos es un espectro compuesto de una mezcla de cuerpos negros - cada frecuencia tiene su propio cuerpo negro a la temperatura correspondiente a la profundidad de la que los fotones pudieron escapar. La mayor absorción de allí a una frecuencia en particular, el menos profundo en el Sol se puede ver la parte inferior del cuerpo negro de temperatura.