Bei der Erklärung der Strahlung eines schwarzen Körpers wird angenommen, dass der Körper ein Hohlraumstrahler ist und die Strahlungen auf die schwingenden Elektronen zurückzuführen sind.
Aber wir wissen, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung quantisiert ist, die Energie dieser Strahlung liegt in Form von Photonen vor, die emittiert werden, weil Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau wechseln.
Aber wie passt dieses Bild zur Erklärung der Schwarzkörperstrahlung? Insbesondere kann ich nicht verstehen, wie sich durch Erhöhen der Temperatur die Spitze der Frequenz in Bezug auf diese Photonenemission zu einer höheren Energiedichte verschiebt.
Photonen haben Spin 1, daher können sie innerhalb des Hohlraums als Bose-Gas behandelt werden. Ihre Verteilung gehorcht der Bose-Einstein-Statistik:
Aus dieser Verteilung folgt direkt, dass sich die Peakfrequenz mit steigender Temperatur verschiebt. (beachten Sie, dass für Photonen)
Bei der Ableitung des Planckschen Gesetzes ist die Vorgabe, dass sich Photonen bei allen Frequenzen in einem thermischen Gleichgewicht befinden. Dies ist keine geringe Annahme, obwohl sie für verschiedene makroskopische Objekte mehr oder weniger gültig ist.
Damit ein solches thermisches Gleichgewicht möglich ist, muss es einen schwarzen Körper geben, ein Objekt, das alle Frequenzen aufnehmen und abgeben kann. Idealerweise sollte ein schwarzer Körper ein kontinuierliches Spektrum von Energieniveaus haben, da die Frequenz eines Photons jede reelle Zahl sein kann.
Die höhere Temperatur des schwarzen Körpers bedeutet, dass mehr Gesamtenergie im System verfügbar ist und es einfacher wird, Photonen mit höherer Energie zu emittieren. Es steht sicherlich nicht im Widerspruch zu der Tatsache, dass Strahlung aus dem Übergang von Elektronen zwischen Energieniveaus entsteht, da die Annahme eines schwarzen Körpers impliziert, dass es ein kontinuierliches Spektrum gibt.
Aus dem, was ich bisher beschrieben habe, ist offensichtlich, dass wir kein verdünntes Gas aus Wasserstoffatomen verwenden können (vorausgesetzt, die Temperatur ist niedrig genug, so dass eine Ionisation praktisch unmöglich ist), um eine Schwarzkörperstrahlung zu erzeugen. Dieses System kann sich nur mit Photonen ins Gleichgewicht bringen, deren Frequenzen der Spektrallinie des atomaren Wasserstoffs entsprechen.
Neugierig