Dette er et fantastisk spørgsmål og et emne, jeg var meget forvirret over, da jeg første gang tog en klasse om Strålingsprocesser. Det ultimative svar, som antydet af @ LubošMotl, er hvad som helst --- hvis du starter med en 'hvid støj' af stråling (dvs. lige store mængder af hver frekvens), vil den ligevægt med mediet / materiale til en sortlegemsfordeling på grund af dets termiske egenskaber (se: Kirchhoffs lov og Einstein-koefficienterne). Dette er ligesom hvis du gav hvert molekyle i en gas den samme energi, ville de slå sig ned i en Boltzmann-distribution.

I praksis (og forhåbentlig et mere tilfredsstillende svar) er det det er generelt en kombination af line-emission og Bremsstrahlung, hvor Bremsstrahlung ¹ dominerer ved høje temperaturer ( $ T \ gtrsim 10 ^ 6 -10 ^ 7 K $ ). Linjer produceres ved utallige frekvenser afhængigt af stoffet af interesse og de termodynamiske egenskaber (fx temperatur). For hverdagslige genstande tror jeg, emissionen er primært fra molekylær-vibrationslinjer. Individuelle linier spredes af adskillige termodynamiske udvidelseseffekter til at dække større dele af spektret. Endelig, ifølge Kirchhoffs lov, kan ækvilibrerede genstande kun udsende op til sortkropsspektret. I praksis vil du stadig se emissions- / absorptionslinjer præget og yderligere strålingskilder.

Lad os se på en opdeling af de relevante overgange som en funktion af energiniveau:
radio : nukleare magnetiske energiniveauer (også cyclotron -emission i nærvær af moderate magnetfelter).
mikrobølgeovn : rotationsenergi niveauer
infrarød : vibrationsenerginiveauer (molekyler)
synlige : elektroniske (især ydre elektronovergange)
ultraviolette : elektronisk (især ydre / valenselektronudkast / kombination)
røntgen : elektronisk (indre elektronovergange)
gammastråle : atomovergange

1: Bremsstrahlung (tysk for ' bremsestråling ') er stråling produceret ved acceleration af ladede partikler --- oftest elektroner. Dette kan ske mellem enhver kombination af bundne (i atomer) eller ubundne (gratis eller i plasma) opladninger.

Det er nøjagtigt pointen med termodynamik - og statistisk fysik - at man ikke behøver at kende den mikroskopiske oprindelse af lignende processer, hvis han kun er interesseret i termodynamiske og / eller statistiske egenskaber.

Den sorte kropsstråling stammer fra alle tænkelige interaktioner mellem det elektromagnetiske felt og det "sorte legeme" - fra den elektriske dipolstråling, magnetisk dipolstråling osv. osv. Men dyden ved termodynamik og / eller statistisk fysik er, at selvom denne situation kan se rodet ud, kan de statistiske / termiske egenskaber for den resulterende stråling forudsiges nøjagtigt, så længe vi kender temperaturen i den sorte krop.

Så i sidste ende koger al emission ud til interaktionsbetingelserne i elektromagnetisme, $$ S = \ int d ^ 4x j ^ \ mu A_ \ mu $$ men statistisk fysik eller termodynamik behøver ikke at studere nogen særlig samling af mange sådanne interaktioner en efter en, fordi de resulterende termiske egenskaber og statistiske fordelinger for fotoner, som man kan vise ved hjælp af de termodynamiske eller statistiske metoder, er helt universelle.

Når der er fononer ved en temperatur uden nul, distribueres de også i en sort-kropslignende fordeling svarende til fotoner, og de interagerer med alle andre ved hjælp af alle de tilladte interactinos. Men man behøver ikke antage nogen fononer for at få den rigtige distribution af fotoner. Fotonerne har et sort kropsspektrum, selv i nærheden af ​​materialer, der næsten ikke indeholder nogen fononer. Uanset frihedsgraderne vil fotonerne i nærheden af ​​den opvarmede kilde opføre sig som sort stråling. Den eneste nødvendige betingelse er eksistensen af ​​ nogle interaktioner, der er i stand til at overføre energi fra den sorte krop til det elektromagnetiske felt. Når den sorte krop har en temperatur, følger alt andet, og det elektromagnetiske felt når i sidste ende ligevægten med det sorte legeme, dvs. det vil indeholde den rigtige sorte kropsstråling.

Du bør se udsendelsen af ​​sort kropsstråling. som en analog proces til den normale varmeudveksling mellem to kroppe. Ved en eller anden temperatur vibrerer de på forskellige måder. Hver af dem kan vibrere ved hjælp af forskellige typer vibrationer og rotationer, den ene kan være gas med frit bevægelige molekyler, den anden kan være et fast stof med masser af harmoniske oscillatorer. Men når der er en tilstrækkelig interaktion mellem disse to kroppe, overføres energien fra den ene til den anden, den termiske ligevægt nås, og den anden krop vil udvise de funktioner, vi forventer af en bestemt temperatur af kroppen af ​​denne art, uanset typen af ​​det andet legeme, det har interageret med og uanset de mikroskopiske interaktioner, der blev brugt i varmeoverførslen.

Jeg er ikke sikker på, om det vil besvare dit spørgsmål fuldstændigt, men du kan meget vel være interesseret i dette papir (Smerlak, 2011 Eur. J. Phys. 32 1143. "En sort krop er ikke en blackbox. "; arXiv-version, hvis linket nogensinde dør). Det ser ud i sort kropsstråling fra et lidt andet perspektiv end normalt. Nogle af de bedste tilnærmelser til sorte kroppe i naturen er store mængder gas, såsom stjerner og planetariske atmosfærer. Dette pædagogiske papir udleder det sorte kropsspektrum ved at tænke på dette mere naturlige scenarie snarere end det sædvanlige mere kunstige koncept med et hulrum med en lille blænde.

Hvad det hele koger til er den materielle del af system (det hele, ikke kun et enkelt atom af det), der skifter mellem forskellige energiniveauer. For at dette kan ske, skal der være en interaktion med det elektromagnetiske felt. Hvis materiens del af systemet har et kontinuerligt spektrum af energiniveauer, og materien og strålingen er i ligevægt, er resultatet, at strålingsfeltet har et Planck-spektrum.

Jeg får følelsen af, at du ' vi leder efter noget mere specifikt end det - du vil vide nøjagtigt, hvorfor det er, at et bestemt materiesystem har et kontinuerligt spektrum af energiniveauer, og præcis hvilken form dets interaktion med strålingsfeltet tager. Jeg kender ikke svaret på det (jeg vil gerne), men jeg troede, at dette perspektiv alligevel kunne være nyttigt.

Lad os prøve dette:

Det er et plot, der viser spidsbelastningstemperaturen (man kunne også finde den gennemsnitlige temperatur) versus bølgelængde.

Som andre har påpeget, findes der en række processer i en solid krop, alle af elektromagnetisk natur, som vil bidrage til bølgelængdeplottet.

Her er en tabel med frekvenser:

Når man kombinerer informationen fra de to figurer, kan man gætte på de dominerende processer involveret i en sort krop, der udstråler.

I den røde kurve, som er stuetemperatur, ser man som dominerende elektronvolt-overgange. Disse er de kollektive continuaspektre, der kommer fra de vibrerende molekyler i det faste stof, hvert molekyle i Van Der Waals -feltet for resten. Da, som andre har bemærket, molekyler har elektriske dipoler, magnetiske øjeblikke, vil der være overgange i de midlertidige kvantemekaniske løsninger for hvert molekyle, men effekten vil være et kontinuum, fordi spektret er sammensat af en usammenhængende tilføjelse af rækkefølge 10 ^ 23 molekyler. Selv når spektrale linjer er ophidsede i molekylerne, og afslapningen frigiver en foton, kan denne foton interagere i et kontinuum med Compton osv. Spredning, som vil ødelægge mest kohærens og spektrale linjer på grund af det enorme antal molekyler involveret. Når temperaturen går højere, fortsætter processen med at være usammenhængende, bare de involverede energier større.

På grund af det store antal interaktioner, der kommer ind i fænomenet med sort kropsstråling, skal der bruges statistiske metoder som Lubos har svaret.

Denne information er ikke indeholdt i bb-strålingen - alt, hvad der kan hentes, er et udsendende område og en temperatur.

I praksis kan strålingen være opstået fra enhver proces, hvor det er muligt for et foton ved den frekvens, der skal produceres.

Selvfølgelig for at faktisk være en sortlegemsemitter skal der også være en 100% chance for, at en foton ved den frekvens, der hæmmer på objektet, absorberes. Denne betingelse sikrer, at der også er relevante strålingsprocesser, der er i stand til at udsende ved denne frekvens, da der er ligefremme proportionaliteter (for eksempel) mellem Einstein-koefficienterne for absorption og både stimuleret og spontan emission (det samme gælder også kontinuumprocesser) .

For måske at overudarbejde, hvis du postulerer et hypotetisk objekt, der ikke er i stand til at udsende lys ved nogle frekvenser (f.eks. et to-niveau-atom med en Einstein spontan emission En koefficient, der tilnærmer sig en delta-funktion i frekvens) , kan du aldrig være i stand til at gøre den tyk nok til at absorbere ved disse frekvenser, og det kunne ikke være et sort legeme. Men selv for et sådant system er en lille chance for absorption ved alle frekvenser på grund af naturlig eller doppler-udvidelse. Hvis du gjorde materialet optisk tykt ved alle frekvenser (dvs. fysisk meget, meget tykt), ville dets output stadig tilnærme et sort legeme.

Derfor, hvis du vil svare sandsynligt , så vil jeg sige, at den mest sandsynlige relevante emissionsproces vil være den omvendte af en hvilken som helst absorptionsproces, der gør det sorte legeme objekt optisk tyk ved denne frekvens.

Så for eksempel har den synlige (næsten) sorte kropsstråling fra solens fotosfære naturligvis alle de optiske atomare og ioniske (nogle få molekylære) overgange, men også fri-fri og fri-bundet emission svarende til opacitet bidraget med ioner (hovedsageligt H $ ^ {-} $, den dominerende opacitetskilde i fotosfæren). For forskellige temperaturer og forskellige materialer med forskellige sammensætninger vil de dominerende strålingsprocesser også være forskellige - f.eks. rekombinationsstråling med atomer / ioner ved temperaturer over $ 10 ^ {4} $ K, molekylære overgange ved temperaturer på hundreder af K.

fra Der er ingen ærter til fotoner (pdf) Af Marty Green

3. DEN SVARTE KROPPSSPEKTRUM. Den ultraviolette katastrofe, der er forbundet med Rayleigh-Jeans-formlen, er en uundgåelig konsekvens af equipartitionssætningen i klassisk mekanik. Det er dog interessant at tænke igennem den aktuelle mekanisme i detaljer. Hvorfor nøjagtigt til alle frekvenser i strålingsfeltet får den samme andel af energi? Equipartitionssætningen er særlig let at forstå for sagen stive diatomiske molekyler, hvor energien deles ligeligt mellem de fem tilstande: tre translationelle og to roterende. Hvis den gennemsnitlige translationshastighed for et molekyle er 500 m / sek, er den gennemsnitlige tangentielle hastighed af et spindende molekyle, taget omkring dets massecenter, også 500 m / sek. Sådan fungerer ligevægt med mekanisk energi. Spørgsmålet bliver så: hvordan omdannes denne mekaniske energi til strålende elektromagnetisk energi? * Den enkleste måde er at lade molekylerne have et dipolmoment *. Arter som O2 og N2 vil selvfølgelig være afbalanceret elektrisk (det er derfor, lys passerer så let igennem dem), men stort set ethvert molekyle sammensat af to forskellige atomer vil have noget dipolmoment. Når det gav rotationsbevægelse, bliver det en antenne. Og som en antenne udstråler den. Hvad er frekvensen af ​​strålingen? Det er simpelthen molekylets rotationsfrekvens: med andre ord tangentiel hastighed divideret med radius. Problemet opstår, hvis vi lader radius blive meget lille. Jo mindre den interatomære afstand er, jo højere er frekvensen, der udstråles af det spindende molekyle. I teorien er der ingen grænse for, hvor lille molekylet kan være, og hvor høj den resulterende frekvens. Der er imidlertid et velkendt eksempel, der viser, at molekyler faktisk ikke spinder med vilkårligt høj hastighed. Jeg henviser til det uregelmæssige specifik brintvarme (og andre lysmolekyler) ved meget lave temperaturer. Det siges undertiden, at rotationsbevægelserne er "frosset ud". Det interessante er, at vi kan identificere en mekanisme, der forårsager dette: den stammer fra de Broglie-forestillingen om stofbølger. For at rotationsbevægelsen kan drives uafhængigt af translationel bevægelse, stoler vi på et rent hit mellem to molekyler. Dette fungerer kun, hvis molekylerne er lavet af hårde små billardkugler. Hvad sker der, hvis molekylerne bevæger sig så langsomt, at deres de Broglie bølgelængde bliver sammenlignelig med den interatomære afstand? Når de indkommende atomer er så store, får du ikke et rent strejke, der sætter målmolekylet til at dreje. Du kan ikke lade være med at ramme begge atomer på én gang, hvilket kun giver translationel energi. Du kan ikke længere køre rotationerne, og det er derfor, den specifikke varme går ned. Loven om specifikke varmer nedbrydes ved lave temperaturer, fordi ækvipartitionssætningen ikke tager højde for materialets bølgeform. Uden ligevægtssætningen er der ingen katastrofe i sort krop.

I kvantemekanik har du en ladningsfordeling, og hvis du sporer den ladningsfordeling over tid, ville det klassisk resultere i stråling. Spørgsmålet er: beregner strålingen denne "semi-klassiske" måde, beregner den kvantemekaniske ladningstæthed og anvender derefter Mawells ligninger ... giver dette dig den korrekte stråling?

Jeg sammenligner i det mest enkle tilfælde i dette par blogartikler om sp-overgangen i brint, først foretager Københavnsberegningen med spontan emission og derefter gør det semi-klassisk ved at behandle brintatomer som små antenner. Jeg får det samme svar begge gange.

I det følgende papir har professor Pierre-Marie Robitaille hævdet, at termisk emission skyldes vibrationer af kerner i gitteret af et materiale og dermed også af et sort legeme:

Robitaille, P.M.Om gyldigheden af Kirchhoffs lov om termisk emission. IEEE Trans.Plasma Sci ., 2003, v. 31, nr.6, 1263-1267.