Meine Frage ist einfach: Ist es möglich, Strahlung mit der gleichen Spektralform wie Schwarzkörperstrahlung zu erzeugen, isotrop, aber mit größerer Dichte (Anzahl der Photonen mit einer bestimmten Frequenz in Volumeneinheiten) als Schwarzkörperstrahlung, dh (Energie pro Einheit Volumen pro Frequenzeinheit):
Wo .
Wenn ich mich in einer festen Kugel mit einer Temperatur von beispielsweise 6000 K befinde, ist die Strahlung im Inneren ein schwarzer Körper. . Wenn nur ein kleiner Teil des Hohlraums diese Temperatur hat (und der Rest auf nahe 0 K gekühlt wird, oder stellen Sie sich einen dunklen Himmel im Weltraum mit Sonne vor), hat die Strahlung immer noch das richtige Spektrum, ist aber nicht isotrop und die Dichte ist kleiner als schwarz Körperstrahlung ( ). Gibt es einen Mechanismus, der eine höhere Dichte erzeugen würde? ?
Kurze Antwort: Wenn sich diese Formel speziell auf elektromagnetische Strahlung bezieht, dann Exakt.
Setzt man zwangsweise eine Photonenverteilung mit ein In Ihrer Formel befindet sich dieses System nicht im Gleichgewicht und entwickelt sich zu einer anderen Temperatur (und derselben Gesamtenergie). . Der neue Staat, mit Und ist die maximale Entropieverteilung für ein Photonenbad mit gegebener Energie.
Allgemeiner, wenn wir die Energiedichte aller Arten von verallgemeinerter "Strahlung" betrachten zählt die Anzahl der (näherungsweise) masselosen Freiheitsgrade. Für die Art von Temperaturen, über die wir normalerweise sprechen, sind Photonen die einzigen Teilchen mit So . Im frühen Universum erfüllten mehrere Teilchen diese Einschränkung, und . Ausführlicher:
Die Planck-Schwarzkörperverteilung entspricht dem Stefan-Boltzmann-Gesetz für Strahlung .
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz kann abgeleitet werden, indem man das Spektrum von Wellen in der thermischen Quantenfeldtheorie betrachtet (das das geeignete Modell zur Beschreibung relativistischer Teilchen ist; da die Partikel, die wir modellieren, bewegen sich mit relativistischer Geschwindigkeit).
Im thermischen QFT-Framework zählt die Anzahl der (annähernd masselosen) Wellen/Felder/Teilchen in der Theorie. Bestimmte Felder können auch Teilbeiträge haben wenn sie nicht exakt masselos sind, sondern nur annähernd. Für eine Zusammenfassung, wie entwickelt sich im Laufe der Geschichte des Universums (basierend auf unserem derzeitigen Verständnis) siehe Abschnitt 21.3.2 hier .
Wenn nur ein kleiner Teil des Hohlraums diese Temperatur hat (und der Rest auf nahe 0 K abgekühlt ist, oder stellen Sie sich einen dunklen Himmel im Weltraum mit Sonne vor), hat die Strahlung immer noch das richtige Spektrum, ist aber nicht isotrop [...]
Darüber hinaus ist dies keine Gleichgewichtssituation, sodass die obige Diskussion nicht zutrifft.
Nach dem Kirchhoffschen Wärmestrahlungsgesetz besteht eine Proportionalität zwischen Emissions- und Absorptionsvermögen eines Körpers. Da ein schwarzer Körper bei jeder Wellenlänge das maximale Absorptionsvermögen hat, sollte auch das Emissionsvermögen bei jeder Wellenlänge maximal sein. In Ihrer Formel wäre also a = 1 eine obere Schranke.
Ich bin jedoch kürzlich auf dieses Papier gestoßen , in dem behauptet wird, dass Sie die Schwarzkörperstrahlung bei einer bestimmten Frequenz überwinden könnten, indem Sie „doppelt negative Metamaterialien mit willkürlich geringem Verlust und willkürlich hohen absoluten Werten der Permittivität und Permeabilität (bei einer bestimmten Frequenz) realisieren“. Trotzdem erscheint mir dies sehr theoretisch, und ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass ein schwarzer Körper eine obere Grenze für die spektrale Dichte der emittierten elektromagnetischen Strahlung darstellt.
Nun, wenn ich Ihre Argumentation logisch betrachte, mit Sonne und dunklem Himmel, alles, was Sie getan haben, war, die Sonne von mir weg zu stellen, auch bekannt als die Strahlen über eine Entfernung zu verteilen (von der Sonne zu mir). Die Umkehrung dieser Denkweise würde, ich ' d sagen, sein, eine Linse einzusetzen und einen Brennpunkt zu schaffen.
Dies ist möglicherweise einfacher als das, wonach Sie suchen, aber beachten Sie, dass für ausreichend niedrige Frequenzen alle Schwarzkörperspektren bis zu einem Skalierungsfaktor alle identisch sind, da sie dem Rayleigh-Jeans-Gesetz gehorchen . Physikalisch hat in diesem Regime jeder Modus Energie , also Skalierung skaliert nur das Spektrum. Also, wenn Sie nachahmen wollen für Temperatur , nehmen Sie einfach ein Objekt mit hoher Temperatur und die hohen Frequenzen entsprechend herausfiltern!
Ich glaube nicht, dass das, wonach Sie fragen, nur mit Objekten im thermodynamischen Gleichgewicht bei Temperatur erreicht werden kann , wie das andere Beispiel erklärt: seit ist auch der Strahlungsanteil, den ein schwarzer Körper absorbiert , er kann nicht größer als eins sein, es sei denn, Sie haben ein exotisches Setup.
Bei höherer Temperatur verhalten sich alle Körper wie schwarze Körper und die Intensität ist ein Vielfaches, vierte Potenz der Temperatur gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. Die Frage ist, was bei höherer Temperatur passiert, was wir ohne eine so hohe Temperatur erreichen können.
Es gibt aus meiner Sicht zwei Möglichkeiten, die dazu beitragen können, dies zu erreichen. Das erste ist, den kleineren Modus oder möglicherweise einen Modus aufrechtzuerhalten, dh in LASER. Durch das Eliminieren vieler Moden erhöht sich die Absorptionswahrscheinlichkeit oder der Absorptionskoeffizient, . Wählen Sie also einen langen zylindrischen oder einen dünnen langen Quader. Die zweite Methode besteht darin, kleinere Elemente in der Nähe hinzuzufügen, eine Anordnung kleiner LEDs kann mehr Licht erzeugen, indem die Anzahl erhöht wird.
Leo Ondra
Shiva