Was bewirkt, dass Objekte "schwarz" erscheinen?

Nach meinem Verständnis erscheinen Objekte in einer bestimmten Farbe, weil es die Farbe (im sichtbaren Licht) ist, die am wenigsten von den Elektronen in den Atomen des Materials absorbiert wird, und der Rest wird reflektiert.

Ich verstehe auch, dass diese Wellenlängen aufgrund der möglichen Energieniveaus der Elektronen absorbiert werden.

Der Grund, warum dieses Licht nicht erneut emittiert wird, liegt darin, dass die Elektronen zwar dazu neigen, ihr Energieniveau zu senken (in einen stabileren Zustand), der unmittelbarere Weg dazu jedoch die Wärmeübertragung ist und diese Energie dann verloren geht durch Wärmeenergie in den Bindungen zwischen Atomen, die Energie als Schwarzkörperstrahlung abgeben.

Ist an diesem Verständnis etwas falsch? Fehlen Details, die Sie wissen sollten?

Warum trägt Infrarot so viel mehr zur Wärme bei als andere Wellenlängen wie Ultraviolett, wenn doch alles in Wärme umgewandelt wird?

Bei üblichen Temperaturen (~300 K) liegt das Schwarzkörper-Strahlungsspektrum im Infrarotbereich. Und "von einem Körper abgegebene Wärme" ist nur Schwarzkörperstrahlung. Energie folgt dem Pfad: Photonen->Wärme->Emission. Da es bei Wärme -> Energie nur um die Temperatur geht, liegt der größte Teil der Wärme im Infrarotbereich, unabhängig von der ursprünglichen Energiequelle.
Zu "Warum trägt Infrarot so viel mehr zur Wärme bei als andere Wellenlängen?" Wer hat dir gesagt, dass das stimmt? Das Plancksche Gesetz sagt Ihnen, wie viel Leistung bei welchen Wellenlängen für einen schwarzen Strahler emittiert wird. Und bei den meisten "schwarzen" Körpern, denen Sie im Alltag begegnen (glühende Kohlen, erhitzter Ofen), haben Sie Recht: Der größte Teil der Energie liegt im IR . Aber das ist nur Zufall – wegen ihrer Temperatur. Die Oberfläche der Sonne ist viel heißer – etwa 5000 K – und sie strahlt etwa die Hälfte ihrer Leistung im sichtbaren Wellenlängenbereich ab.
Dann gibt es noch Laser: Ein Laser gibt 100 % seiner Leistung in einer oder wenigen Wellenlängen ab. Wenn es sich um sichtbare Wellenlängen handelt, liegt dort die ganze Kraft.
@SolomonSlow, also ist Infrarot nicht die einzige Wellenlänge, die einen signifikanten Beitrag zur Wärme leistet, sondern dass es häufiger vorkommt? Das war eine meiner Spekulationen. Wenn etwa die Hälfte der Emissionen der Sonne sichtbar ist, bedeutet das, dass ein erheblicher Teil der Wärme, die Sie durch direktes Sonnenlicht spüren, eher aus sichtbarem Licht als fast vollständig aus Infrarot stammt? Was ist mit Feuer?
@User_DJ, "... ein erheblicher Teil der Wärme, die Sie durch direktes Sonnenlicht spüren, stammt von sichtbarem Licht ...?" Kurze Antwort ist "Ja". Eine längere Antwort könnte erklären, wie gut Ihre Haut verschiedene Wellenlängen absorbiert. Tragen Sie ein schwarzes T-Shirt, und die lange Antwort wird weniger bedeutsam.
@User_DJ, "Was ist mit Feuer?" Ein Großteil der Wärme, die Sie von einem Holzfeuer spüren, stammt von den Kohlen. Holzkohle ist sehr schwarz, daher ist die rot/orange Farbe, die Sie sehen, reine Schwarzkörperemission. Die blassgelbe Farbe in der Flamme ist ebenfalls reiner Schwarzkörper. Es ist von mikroskopisch kleinen Partikeln von brennendem Ruß. Diese Partikel sind heißer als die Holzkohle, daher ist die Emission mehr in Richtung sichtbares Licht gerichtet, aber es gibt viel weniger von ihnen, also weniger Gesamtwärme von dieser Quelle. Ich kenne die tatsächlichen Temperaturen oder die entsprechenden Schwarzkörperspektren nicht, weil ich zu faul zum Rechnen bin.
@SolomonSlow, danke. Was ist mit dem ionisierten Gas in der Flamme (manche nennen es Plasma)? Was ist die Lichtemission davon?
@User_DJ, Entschuldigung, das entzieht sich meiner Kenntnis. Vielleicht kann dir ein Chemiker etwas über die Farben in einer Gasflamme sagen.
@SolomonSlow, keine Sorge. Vielen Dank für die Antworten!

Antworten (1)

Ist an diesem Verständnis etwas falsch?

Ein paar Kleinigkeiten:

  • Schwarzkörperstrahlung bezieht sich nicht auf einen bestimmten mikroskopischen Prozess und ist insbesondere nicht unbedingt "die Bindungen zwischen Atomen, die Energie abgeben". Schwarzkörperstrahlung ist ein explizit makroskopisches Phänomen, dessen Nützlichkeit aus der Tatsache resultiert, dass es sich nicht besonders um die mikroskopische Struktur des Materials kümmert. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Was sind die verschiedenen physikalischen Mechanismen für die Energieübertragung auf das Photon während der Schwarzkörperemission? .

  • Absorption und Reflexion sind nicht die einzigen Dinge, die passieren können, wenn Licht auf ein Medium trifft. Zum einen gibt es auch eine Übertragung. Und in Fällen höherer Energie können Sie auch Zersetzung/Photoabbau, Ionisierung und Paarbildung haben, um nur einige zu nennen.

  • Neben der Abgabe als Wärme kann elektromagnetische Strahlung auch ein Objekt beschleunigen oder rotieren lassen, wenn die Eigenschaften des Objekts und der einfallenden Strahlung stimmen.

Warum trägt Infrarot so viel mehr zur Wärme bei als andere Wellenlängen wie Ultraviolett, wenn doch alles in Wärme umgewandelt wird?

Nun, erstens, weil nicht die gesamte absorbierte Strahlung als Wärme abgeführt wird. Wenn die Strahlung energiereich genug ist, bricht sie chemische Bindungen (wie UV-Strahlung) und/oder ionisiert die Atome des Materials (wie Röntgenstrahlen), anstatt einfach die Temperatur des Materials zu erhöhen. Wenn die Strahlung energiearm genug ist, wird sie einfach übertragen, ohne wesentlich mit dem Material zu interagieren. Damit Strahlung also hauptsächlich als Wärme abgeführt werden kann, muss sie ungefähr die gleiche Energie wie ein Übergang haben, der das Material nicht wirklich auseinanderbricht. Viele (aber nicht alle*) Materialien haben einen solchen Übergang im Infrarotbereich, da interatomare Bindungen eine typische Bindungsenergie von einigen eV haben.

Es hilft auch, dass bei Materialien mit etwa Raumtemperatur die Spitze des Schwarzkörperstrahlungsspektrums im Infrarotbereich liegt. Dies bedeutet, dass die Menge an Infrarotstrahlung, die ein Körper aussendet, mit seiner Temperatur korreliert, und im Allgemeinen emittieren und absorbieren makroskopische Materialien bei Raumtemperatur leicht Infrarotstrahlung.

Wenn Sie sich gut mit Ihrem Material auskennen, können Sie natürlich Übergänge außerhalb des Infrarotbereichs verwenden, um Wärme zu übertragen. Zum Beispiel haben Wassermoleküle Rotationsübergänge, die energetisch sehr eng beabstandet sind; die Energiedifferenz zwischen ihnen entspricht der Energie eines Mikrowellenphotons. Wenn also Wasser mit Mikrowellen bestrahlt wird, erwärmt es sich, was Mikrowellenöfen möglich macht.

*Zinkselenid ist zum Beispiel für Infrarotstrahlung effektiv transparent, so dass Sie es schwer haben würden, es auf diese Weise zu erhitzen, wenn Sie es versuchen würden.

Was bewirkt, dass das Material bestimmte Wellenlängen als Wärme absorbiert? Gibt es einen Unterschied darin, wie Materialien in ihrem Emissionsspektrum Infrarot im Vergleich zu einigen sichtbaren Wellenlängen absorbieren? Sie sagten, dass die Absorption von Infrarotlicht von den Bindungsenergien der interatomaren Bindungen abhängen kann. Bedeutet dies, dass nicht die Elektronen die Energie absorbieren, sondern die Bindungen? Sind Absorption als Wärme und Emission von Infrarotstrahlung unterschiedliche Prozesse? Würden zum Beispiel infrarotdurchlässige Objekte wie Zing-Selenid Schwarzkörperstrahlung hauptsächlich im Infraroten emittieren, obwohl sie sie nicht absorbieren?
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