Warum geben bewegte Teilchen Wärmestrahlung ab?

Die elektromagnetischen Prozesse zwischen Atomen und Molekülen in allen Phasen, fest, flüssig, gasförmig, hängen von sogenannten "Van-der-Waals" -Feldern und daraus resultierenden Kräften ab.

Es ist allgemein bekannt, dass die Atome/Moleküle neutral sind, dennoch gibt es für alle Materie Dipole und Quadrupole und Felder höherer Ordnung, die hauptsächlich anziehend sind und die chemischen Bindungen bilden, wodurch sich neutrale Atome und Moleküle an Festkörper und Flüssigkeiten binden und interagieren können als Gase.

Diese Bindungen sind quantenmechanisch, das heißt, es gibt Lösungen der Schrödinger-Gleichung mit Energieniveaus vom Grundzustand bis zum Kontinuum, man kann sie so modellieren, dass sie sich über die gesamte Masse des Festkörpers, der Flüssigkeit und des Gases wiederholen. Die ungefüllten Energieniveaus liegen energetisch nahe beieinander und bilden das Kontinuum von n=unendlich (die radiale Quantenzahl).

Gleichzeitig haben die Atome und Festkörper reine kinetische Freiheitsgrade: Sie können in Festkörpern schwingen und rotieren, sie können sich in Flüssigkeiten zweidimensional und in Gasen in allen drei Dimensionen bewegen.

In Gasen überträgt die einfache Streuung der Moleküle die kinetische Energie eines Moleküls auf die potentielle Energie eines anderen, hebt also ein Elektron auf ein höheres Niveau. Das Elektron kehrt in seinen Grundzustand zurück und setzt je nach Energie ein bestimmtes Photon oder eine Kaskade von Photonen frei. Denken Sie daran, dass die höheren Ebenen in Bezug auf n, die radiale Quantenzahl, dicht gepackt sind. Diese Photonen werden als Schwarzkörperstrahlung emittiert und bilden aufgrund der 10^23 Moleküle pro Mol und der nahezu kontinuierlichen Energieniveaus ein Kontinuum . Die Temperatur ist eine Funktion der durchschnittlichen kinetischen Energie im Gas, je höher die Temperatur, desto energiereicher die kinetische Streuung und desto höher die durchschnittliche Photonenenergie.

In einem Festkörper gibt es auch schwingungs- und rotationskinematische Freiheitsgrade, die zur mittleren kinetischen Energie, dh Temperatur, beitragen. Die kinetische Energie der Moleküle wird zu potentieller Energie für ein Elektron im Gitter, das dann in seinen Grundzustand oder durch Kaskaden zerfällt. Die Logik ist die gleiche wie für Gase und die gleiche gilt für Flüssigkeiten, die in Bezug auf Feststoffe einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad haben.

Es ist also das quantenmechanische Verhalten der Materie auf der Mikroebene, das für die Schwarzkörperstrahlung verantwortlich ist, und das Infrarot-Katastrophenproblem der klassischen Extrapolationen wurde gelöst. Es sind die Energieniveaus, die bei den elektromagnetischen Emissionen den Unterschied zwischen unendlich und gut erzogener Eigenschaft ausmachen. Somit verringert sich die durchschnittliche kinetische Energie (proportional zu T), indem sie sich durch das Abstufen der Energieniveaus in elektromagnetische Emissionen umwandelt.

Bedeutet das, dass unter verdünnten Bedingungen, bei denen die mittlere freie Weglänge relativ groß ist, die Rate der IR-Emissionen abnimmt (während die Intensität immer noch nur von der Temperatur abhängt)?

Wenn die mittlere freie Weglänge groß ist, die Temperatur niedriger ist, die durchschnittliche kinetische Energie der Atome niedriger ist und somit die Photonen, die durch die Umwandlung von kinetischen in anregende Elektronen auf höhere potentielle Energieniveaus und den daraus folgenden Abfall auf Grundenergieniveaus erzeugt werden, alle niedriger sind und wird immer kühler, wenn die Energie nicht nachgefüllt wird. Ich weiß nicht, was du mit Intensität meinst.

Dies ist das Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers .

Wenn die Temperatur abnimmt, verschiebt sich die Spitze der Schwarzkörperstrahlungskurve zu niedrigeren Intensitäten und längeren Wellenlängen. Der Schwarzkörperstrahlungsgraph wird auch mit dem klassischen Modell von Rayleigh und Jeans verglichen.

Wenn Sie Gase in niedrigem Druck wie am oberen Rand der Atmosphäre usw. meinen, muss man sie entsprechend den Randbedingungen separat untersuchen. Es können Gase mit sehr hohen Temperaturen wie in der Atmosphäre der Sonne vorhanden sein.

Der Mechanismus der EM-Strahlungsemission in verdünnten Gasen unterscheidet sich von Feststoffen, Flüssigkeiten und dichten Gasen.

In einem Festkörper sind die Hauptquelle der kontinuierlichen Emission, dh der Emission eines schwarzen Körpers, Gitterschwingungen, die lokale Oszillationen in der Elektronendichte verursachen. Die resultierenden transienten Dipole emittieren EM wie jeder oszillierende Dipol. Dies ist kein resonanter Prozess, Sie erhalten also ein kontinuierliches Spektrum. Die Antwort von Luboš Motl auf die von Chris erwähnte Frage erklärt, warum die Form des Emissionsspektrums unabhängig von den feinen Details ist, wie die Strahlung emittiert wird.

Flüssigkeiten und sehr dichte Gase haben kein Gitter, aber die zufällige thermische Bewegung ihrer Partikelbestandteile erzeugt einen ähnlichen Effekt.

In einem verdünnten Gas ist die Dichte viel zu gering, um signifikante Schwankungen der Elektronendichte zu erzeugen, sodass verdünnte Gase kein kontinuierliches Spektrum emittieren (obwohl jeder mit dem Gas in Kontakt stehende Feststoff dadurch erhitzt wird und folglich Schwarzkörperstrahlung emittiert).

Wenn das Gas eher eine Verbindung als ein Atom ist, kann es durchaus Rotations- und Vibrationsanregungen geben, die Photonen absorbieren und emittieren können; Auf diese Weise absorbiert/emittiert Kohlendioxid (bekanntermaßen) Infrarot. Eine Linienverbreiterung kann zu einem ungefähr kontinuierlichen Spektrum führen, aber das Spektrum ist immer noch grundsätzlich diskret und nicht kontinuierlich.

Wenn Sie ein einatomiges Gas wie Neon nehmen, absorbiert oder emittiert es im Grunde keine Strahlung bei Frequenzen unterhalb der Elektronenanregung, obwohl es, wie TMS erwähnt, immer den Schwanz der Geschwindigkeitsverteilung gibt, der genug Energie hat, um elektronische Übergänge anzuregen. Dies ist jedoch bei Raumtemperatur vernachlässigbar.

Wärmestrahlung ist Dauerstrahlung. Es existiert für alles, unter allen Umständen, zu jeder Zeit. Es steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Bewegung eines Objekts. Beschleunigte Ladungen geben Strahlung ab, die keine Wärmestrahlung ist.

Diese Antworten sind viel zu kompliziert. Das ist kein Hexenwerk.

Wenn sich ein geladenes Teilchen bewegt, erzeugt es elektromagnetische Strahlung.

Materie besteht aus geladenen Teilchen.

Da sich alles, was sich nicht am absoluten Nullpunkt befindet, bewegt und alles aus geladenen Teilchen besteht, erhalten Sie ein Spektrum von EM-Strahlung, die von Materie kommt.

Wenn sich das Ding sehr schnell bewegt (hohe Temperatur), erhalten Sie etwas sichtbares Licht. Wenn das Ding wirklich sehr heiß ist (wie die Sonne), bekommst du UV-Licht.