Was ist der Ursprung der Schwarzkörperstrahlung? [Duplikat]

Natürlich weiß ich, was Schwarzkörperstrahlung ist, wie jeder andere, der einen Kurs in thermischer oder statistischer Physik besucht hat. Aber kürzlich wurde ich darauf hingewiesen, dass eine Sache, die selten (auch mir) beigebracht wird, der Mechanismus für die Strahlung ist.

Wie entsteht auf Teilchenebene Schwarzkörperstrahlung (welcher Strahlungsprozess ist das)? Mit anderen Worten, woher kommen die Photonen?

Um vielleicht etwas weiter zu verdeutlichen, leihen Sie sich einen Kommentar von Kevin Driscoll zu einer Antwort aus:

Der Punkt der Frage ist, dass es Materialien gibt, deren Emissionsspektren ziemlich gut durch ein Schwarzkörperspektrum beschrieben werden. Und doch wissen wir, dass die Photonenemission auf atomarer Ebene durch einige quantenmechanische Übergänge verursacht wird. Wie kommt es also, dass eine solche zugrunde liegende quantenmechanische Beschreibung bei alltäglichen Temperaturen zu einem Schwarzkörperspektrum führt? Was ist die Mechanik, die bewirkt, dass Licht bei allen Frequenzen absorbiert/emittiert wird und nicht bei dem diskreten Satz, den wir von den elektronischen Übergängen in isolierten Atomen erwarten könnten?

Mit einem Vorbehalt von mir:

Das ist eine gute Wiederholung, obwohl ich warnen möchte, dass die Beschreibung nicht a priori quantenmechanischer Natur sein muss - es gibt Strahlung in der klassischen Elektrodynamik.

Ich mag diese Art von Fragen, die nach den Grundlagen suchen, die akzeptierten Phänomenen zugrunde liegen. Als persönliche Anmerkung: Wenn ich ein Atom (als ein System, das EM-Quanten emittiert/absorbiert) mit einem äquivalenten klassischen System vergleiche, sehe ich, dass letzteres keine Möglichkeit hat, kinetische Energie freizusetzen, ohne Komponenten wie die Emission zu verlieren von Photonen. Anscheinend kann Materie auf diesen Skalen "abkühlen" und Ladungen auf eine Weise neu anordnen, die nicht durch QED erklärt wird, die akzeptiert, dass Ladungen EM-Quanten emittieren, aber versucht, dies nicht aus anderen grundlegenderen Annahmen abzuleiten.
Eine gute Frage, die ich mir in der Vergangenheit auch gestellt und nie befriedigend beantwortet habe. Es scheint mir, dass die Berechnung, wie sich ein reales Modell (in diesem Fall von Absorptions- / Emissionsprozessen) der thermodynamischen Grenze nähert, etwas ist, das niemand interessant genug findet, um es zu verfolgen.
Wollen Sie eine Erklärung zur Wärmestrahlung?
Dies kann von Interesse sein. Es ist ein überraschend interessantes Problem - ich arbeite gerade an etwas in dieser Richtung, aber wer weiß, ob etwas Gutes dabei herauskommen wird. cc @KevinDriscoll
Ich hatte den Eindruck, dass die Schwarzkörperstrahlung nicht nur durch die Elektronenübergänge in Atomorbitalen entsteht, sondern durch Wechselwirkungen in der Kristallstruktur, die deutlich mehr Freiheitsgrade hat. Die thermischen Schwingungen vieler Atome im Gitter können Photonen beliebiger Energie aufnehmen und emittieren. Ist diese Argumentation fehlerhaft?
@mpv Welche Kristalle gibt es im Sonneninneren?
@RobJeffries Crystal war nur ein Beispiel für kondensierte Materie. Plasma ist immer noch ein elektromagnetisch wechselwirkendes Medium. Ionen kollidieren und streuen, freie Elektronen können jedes Photon durch normale elektromagnetische Wechselwirkung absorbieren oder emittieren. Im Plasma ist man immer noch nicht auf wenige Elektronenübergänge beschränkt.
@mpv In der Tat. Ihr ursprünglicher Kommentar ist in der Festkörperphysik angemessen.

Antworten (1)

Diese Informationen sind nicht in der bb-Strahlung enthalten – alles, was herausgefunden werden kann, ist ein Emissionsbereich und eine Temperatur.

In der Praxis kann die Strahlung aus jedem Prozess stammen, bei dem es möglich ist, ein Photon mit dieser Frequenz zu erzeugen.

Um tatsächlich ein Schwarzkörper-Emitter zu sein, muss es natürlich auch eine 100% ige Chance geben, dass ein Photon mit dieser Frequenz, das auf das Objekt trifft, absorbiert wird. Diese Bedingung stellt sicher, dass es relevante Strahlungsprozesse gibt, die auch bei dieser Frequenz emittieren können, da es (zum Beispiel) einfache Proportionalitäten zwischen den Einstein-Koeffizienten für Absorption und sowohl stimulierter als auch spontaner Emission gibt (dasselbe gilt auch für Kontinuumsprozesse). .

Um es vielleicht zu ausführlich auszudrücken: Wenn Sie ein hypothetisches Objekt postulieren, das bei einigen Frequenzen kein Licht emittieren kann (z. B. ein Zwei-Niveau-Atom mit einem spontanen Einstein-Emissionskoeffizienten, der sich einer Delta-Funktion in der Frequenz annähert), könnten Sie dies möglicherweise nie tun es war dick genug, um diese Frequenzen zu absorbieren, und es konnte kein schwarzer Körper sein. Aber selbst für ein solches System besteht aufgrund natürlicher oder Doppler-Verbreiterung eine winzige Möglichkeit der Absorption bei allen Frequenzen. Wenn Sie das Material bei allen Frequenzen optisch dick machen (dh physikalisch sehr, sehr dick), dann würde seine Ausgabe immer noch einem schwarzen Körper entsprechen.

Wenn Sie also wahrscheinlichkeitstheoretisch antworten möchten, würde ich sagen, dass der wahrscheinlichste relevante Emissionsprozess die Umkehrung des Absorptionsprozesses ist, der das Schwarzkörperobjekt bei dieser Frequenz optisch dick macht.

So haben Sie zum Beispiel die sichtbare (fast) Schwarzkörperstrahlung aus der Photosphäre der Sonne offensichtlich alle optischen atomaren und ionischen (einige molekulare) Übergänge, aber auch frei-freie und frei gebundene Emission, die der von Ionen (hauptsächlich) beigetragenen Opazität entsprechen H − , die dominierende Trübungsquelle in der Photosphäre).

Die Information muss nicht in der Strahlung kodiert sein, aber die Photonen stammen sicherlich von irgendwoher . Wollen Sie damit sagen, dass es überhaupt irgendein Strahlungsprozess tun wird? Sicherlich muss hier ein (oder eine Klasse oder einige, aber nicht andere) Prozess am Werk sein. Zum Beispiel bin ich mir ziemlich sicher, dass Photonen von einer Quelle mit einem BB-Spektrum nicht von stimulierter Emission stammen.
@KyleOman Natürlich spielt die stimulierte Emission eine Rolle bei der BB-Strahlung, wie würden Sie die stimulierte Emission verhindern! In einem bb-Emitter (oder irgendetwas in der thermodynamischen Gleichung) entspricht das Verhältnis von Emission zu Absorption (einschließlich stimulierter Emission als negative Absorption) der Planck-Funktion.
Stimulierte Emission impliziert für mich Linienmerkmale im Spektrum, vielleicht irre ich mich aber darin. Aber was im Zusammenhang mit meiner Frage noch wichtiger ist, entweder werden die Photonen durch einige Emissionsmechanismen erzeugt, die aufgrund der Temperatur des BB zu dem berühmten Spektrum führen, oder die Temperatur wird von einigen in die Strahlung eingeprägt Streuprozess(e). Welche(r) Emissionsmechanismus(en) oder Streuprozess(e)?
@KyleOman du bist weit weg. BB-Strahlung stellt eine detaillierte Bilanz zwischen allen Emissions- und Absorptionsprozessen dar. Streuung erhöht nur die effektive optische Tiefe und macht es wahrscheinlicher, dass ein Objekt alles absorbiert, was darauf fällt. Weiter bearbeiten.
Ich denke, diese Antwort verfehlt den Punkt ein wenig. Da wir Thermodynamik betreiben, sollten die Details des Absorptions-/Emissionsprozesses natürlich keine Rolle spielen, da das Ergebnis universell sein soll. Aber das ist für den Zweck dieser Frage, die Dinge aus der falschen Richtung zu betrachten.
Der Punkt der Frage ist, dass es Materialien gibt, deren Emissionsspektren ziemlich gut durch ein Schwarzkörperspektrum beschrieben werden. Und doch wissen wir, dass die Photonenemission auf atomarer Ebene durch einige quantenmechanische Übergänge verursacht wird. Wie kommt es also, dass eine solche zugrunde liegende quantenmechanische Beschreibung bei alltäglichen Temperaturen zu einem Schwarzkörperspektrum führt? Was ist die Mechanik, die bewirkt, dass Licht bei allen Frequenzen absorbiert/emittiert wird und nicht bei dem diskreten Satz, den wir von den elektronischen Übergängen in isolierten Atomen erwarten könnten?
@KevinDriscoll, das ist eine gute Wiederholung, obwohl ich warnen möchte, dass die Beschreibung nicht a priori quantenmechanischer Natur sein muss - in der klassischen Elektrodynamik gibt es Strahlung.
@KevinDriscoll Ein (hypothetisches) Material mit einem Emissionskoeffizienten, der aus Delta-Funktionen bei verschiedenen Frequenzen besteht, kann kein schwarzer Körper sein, da es außerhalb dieser Frequenzen transparent wäre. In der Praxis besteht immer eine gewisse Emissionswahrscheinlichkeit bei allen Frequenzen; für ein bb müssen Sie nur dafür sorgen, dass es (optisch) dick genug ist, um in eqm zu sein.
Was ist der Ursprung der Schwarzkörperstrahlung? [Duplikat]
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