Wenn ein schwarzer Körper ein perfekter Absorber ist, warum gibt er dann etwas ab?

Ich versuche, die Quantenmechanik zu verstehen, und das erste, auf das ich gestoßen bin, das verstanden werden muss, sind schwarze Körper. Aber ich bin schon bei den ersten Absätzen auf eine Straßensperre gestoßen. :( Laut Wikipedia :

Ein schwarzer Körper (auch schwarzer Körper) ist ein idealisierter physischer Körper, der alle einfallende elektromagnetische Strahlung absorbiert, unabhängig von Frequenz oder Einfallswinkel.

OK das ist schön. Es ist ein Objekt, das jede elektromagnetische Strahlung, die zufällig darauf trifft, absorbiert (in sich aufnimmt und für immer speichert/vernichtet). Ein Objekt, das immer ganz schwarz aussieht, egal unter welchem ​​Licht man es betrachtet. Gut. Aber dann folgt mit:

Ein schwarzer Körper im thermischen Gleichgewicht (d. h. bei konstanter Temperatur) emittiert elektromagnetische Strahlung, die als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet wird.

Sag was? Zu welchem ​​Teil von „absorbiert“ passt das? Wie kann es etwas absorbieren, wenn es es einfach wieder ausspuckt, selbst wenn es modifiziert ist? Das ist kein schwarzer Körper, das ist ein hübscher weißer Körper, wenn Sie mich fragen. Oder ein farbiges, je nachdem, wie es die ankommenden Wellen transformiert.

Was fehlt mir hier?

Dass es alles absorbiert, bedeutet, dass jede von ihm kommende Strahlung wirklich emittiert und nicht reflektiert wird.
@ACuriousMind - und wenn es die Strahlung immer so emittiert, dass die Reflexion nachgeahmt wird (Richtung, Wellenlängen usw. beibehalten) - würde das auch als "Schwarzkörper" gelten?
Wie wurde "absorbiert alle einfallende Strahlung" übersetzt als "lässt keine Strahlung heraus und sieht völlig schwarz aus"? "Absorbiert" bedeutet "nimmt auf", es bedeutet nicht "lässt nicht aus". Ein perfekter Absorber reflektiert oder lässt kein Licht durch. Das ist alles.
@Vilx- Es gibt keine physikalische Möglichkeit, absorbierte Strahlung so zu emittieren, dass eine Reflexion nachgeahmt wird, ohne dass es sich tatsächlich um eine Reflexion handelt. Also nein, das würde nicht als Schwarzkörper zählen
@JimdalftheGrey - Hmm ... Ich hatte wohl eine andere Vorstellung davon, was "absorbiert" bedeutet. Und außerdem ... nun, wenn Sie zulassen, dass es absorbiert und dann wieder emittiert, wie können Sie dann sagen, dass das passiert ist und nicht nur eine Reflexion / Filterung / was auch immer?
Schwarze Körper emittieren entlang eines Schwarzkörperspektrums, das ihrer Temperatur entspricht. Reflexion bewahrt (mindestens) Informationen über die Wellenlänge, Transmission bewahrt Einfallswinkel und Wellenlänge. Absorption und Reemission bewahrt nichts davon
@JimdalftheGrey - Hmm... das dreht sich im Kreis. Schwarze Körper emittieren Schwarzkörperstrahlung, weil sie Schwarzkörper sind, die Schwarzkörperstrahlung emittieren. Ich versuche, das irgendwie wie Mathematik anzugehen - beginne mit einigen Definitionen (und möglicherweise Axiomen) und lege dann Theoreme darüber. Aber ich finde es schwierig, den Grund von allem zu finden (die Definitionen). :(
Vilx, ein Objekt mit einer Temperatur ungleich Null wird Energie abgeben, bis es nicht mehr kann (bis es einen Grundzustand erreicht hat). Aus Ihren Kommentaren geht hervor, dass Sie sich einen perfekten Absorber als ein Objekt vorstellen, das die gesamte einfallende Energie absorbiert, aber keine emittiert, dh im Grundzustand verbleibt. Wie kann das sein?
@AlfredCentauri - Im wirklichen Leben könnte es nicht, aber wir sprechen hier sowieso über idealisierte Sachen. Oder, nun, das war meine Überlegung. Ich sehe jetzt, dass das Wort "absorbieren" eine andere Bedeutung hat, als ich dachte.
Verwenden Sie in der Physik nicht den mathematischen Ansatz, Sie müssen das Verständnis anhand konkreter Experimente/Beispiele/Objekte aufbauen und dann die Abstraktionsleiter hinaufsteigen.

Antworten (5)

Sag was? Zu welchem ​​Teil von „absorbiert“ passt das?

Der Schlüssel zum Verständnis ist, den Ausdruck „im thermischen Gleichgewicht“ sorgfältig zu beachten.

Dies bedeutet, dass die Absorptions- und Emissionsraten gleich sind.

Hätte ein Körper eine niedrigere Temperatur als die Umgebung, wäre die Absorptionsrate höher und der Körper würde sich erwärmen.

Hätte ein Körper eine höhere Temperatur als die Umgebung, wäre die Emissionsrate höher und der Körper würde sich abkühlen.

Aber im thermischen Gleichgewicht ist die Temperatur konstant und daher müssen die Absorptions- und Emissionsraten gleich sein.

Nun, fügen Sie das alles zusammen:

  • Ein schwarzer Körper ist ein idealer Absorber, dh ein schwarzer Körper reflektiert oder lässt keine einfallende elektromagnetische Strahlung durch.
  • Ein Objekt im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung gibt Energie mit der gleichen Rate ab, wie es Energie absorbiert .

Daraus folgt, dass ein schwarzer Körper im thermischen Gleichgewicht mehr Energie abgibt als jedes andere Objekt (nicht schwarzer Körper) im gleichen thermischen Gleichgewicht, da er mehr Energie absorbiert .

Stellen Sie sich mehrere verschiedene Objekte vor, darunter einen schwarzen Körper, in einem Ofen und im thermischen Gleichgewicht. Der schwarze Körper „leuchtet“ heller als die anderen Körper.

OK, ich akzeptiere das. Ich denke, ich habe es jetzt verstanden, aber es wirft wirklich mehr Fragen in andere Richtungen auf. Ich muss noch länger darüber nachdenken, bevor ich meine nächste Frage stelle.

„Okay, das ist nett. Es ist ein Objekt, das jede elektromagnetische Strahlung, die zufällig darauf trifft, absorbiert (in sich aufnimmt und für immer speichert/vernichtet).“

Rechts! Aber dieser Frontslash ist wichtig, und Sie wollen die erste Option. Es kann die Energie als Wärme absorbieren und reflektiert niemals etwas. Was die Black-Body-Theorie dann im Detail ausführt, ist das, was der Black-Body aussendet. Dies ist kein Umgebungslicht - ein schwarzer Körper würde Strahlung emittieren, selbst wenn er niemals welche absorbiert, solange seine Temperatur ungleich Null wäre.

Wie Sie bemerken, ist der Name eine Art Fehlbezeichnung. Schwarze Körper (interessante) erscheinen kaum jemals schwarz. So gesehen ist die Sonne im Grunde genommen ein schwarzer Körper mit einer Temperatur von 5500 K. Wie Sie vielleicht bemerkt haben, ist die Sonne nicht schwarz [ C ich T A T ich Ö N   N e e D e D ] .

Der Name „schwarzer Körper“ ist vielleicht etwas irreführend.

Der Abschnitt "Idealisierungen" des Wikipedia-Eintrags veranschaulicht die Idee auf eine Weise, die mir immer im Gedächtnis geblieben ist. Setzen Sie einen Nadelstich in einen völlig "schwarzen" Hohlraum. Hier bedeutet "schwarz", dass die Seiten des Hohlraums keine Strahlung zulassen und der Hohlraum groß genug ist, dass die Photonen, die zufällig hereingewundert werden, wahrscheinlich nicht wieder herausfinden. Wie @SirElderberry sagte, sind das zu untersuchende Phänomen, das Planck schließlich zur Quantisierung brachte, die wenigen Photonen, die zufällig ihren Weg aus dem schwarzen Körper finden.

Jeder Körper über 0K sendet Strahlung aus. Dasselbe gilt für den schwarzen Körper, er absorbiert Strahlung und emittiert auch, jetzt hängt die Rate, mit der er absorbiert / emittiert, von der Umgebung ab.

In einfachen Worten

Unter schwarzer Strahlung versteht man einen Körper - unabhängig von seiner Farbe - der alle auf ihn einfallenden Wellenlängen in Form von Energie absorbiert und nichts von dieser Wellenlänge reflektiert, sondern das, was er absorbiert hat, mit einer anderen Wellenlänge abstrahlt.

Deshalb gilt ein Stern als schwarzer Körper, da er nur strahlt und nicht reflektiert.

Wenn ein schwarzer Körper ein perfekter Absorber ist, warum gibt er dann etwas ab?
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