¿Por qué los emisores de color negro son mejores emisores que otros colores? ¿Por qué el blanco es un peor emisor?
El negro es el mejor emisor porque si algo es negro significa que está fuertemente acoplado al campo electromagnético.
Los objetos físicos están rodeados de radiación electromagnética. Una fuente de la radiación son estrellas como el sol. Las estrellas emiten luz visible, radiación infrarroja y, de hecho, una gama completa de longitudes de onda. Puedes ver un gráfico del espectro de la luz solar en Wikipedia. $ ^ {[a]} $ También resulta que la propia materia emite radiación. Debido a que la materia está a una temperatura distinta de cero, el" movimiento "térmico de los átomos / moléculas hace que salten aleatoriamente a estados excitados, y cuando saltan pueden emitir fotones de radiación electromagnética. Esto se llama radiación térmica.
Diferentes tipos de materia irradian su energía térmica en forma de radiación electromagnética con diferentes niveles de eficiencia Esto se debe aproximadamente a que las transiciones de electrones (u otros) en varios materiales son más o menos fuertes acoplado al campo electromagnético, y porque diferentes materiales tienen más o menos transiciones disponibles en cada longitud de onda. $ ^ {[c]} $ Por lo tanto, para una temperatura dada , algunos materiales emiten su radiación más rápido que otros.
Ahora, aquí está la parte importante: los materiales que son buenos para emitir su radiación térmica también son buenos al absorber la radiación entrante . Esto en realidad no es sorprendente: el proceso de absorber un fotón entrante es exactamente el inverso del proceso de emitir uno, por lo que si un material tiene muchas transiciones disponibles dentro de él o transiciones que son más fuertemente acoplado al campo electromagnético, esas transiciones están disponibles tanto para emisión como para absorción.
Un material que es un muy buen absorbente se ve negro porque absorbe toda la luz entrante. Bueno, eso suena convincente, pero si lo piensas bien, señalarías que te dije que los buenos absorbentes también son buenos emisores, por lo que un buen absorbente también debería emitir luz ¡No debería verse negro! La clave aquí es que no tiene que emitir los fotones en la misma longitud de onda que los absorbe. Lo que generalmente sucede es que después de un p. Ej. El fotón visible entra y se absorbe, la energía se convierte en calor y luego es emitida por una emisión térmica como se describe anteriormente.Esta emisión térmica puede estar en el rango infrarrojo (para temperaturas prácticas), que no se puede ver con los ojos. Es por eso que un objeto que es tanto un buen absorbedor como un buen emisor se ve negro cuando está en equilibrio térmico cerca de la temperatura ambiente. $ ^ { [d]} $ Tenga en cuenta que esto significa que los objetos negros en realidad están irradiando más potencia que los blancos, simplemente no se puede saber fácilmente porque esa potencia está en una longitud de onda que usted no ver.
Un objeto hipotético que absorbe perfectamente toda la radiación entrante se llama cuerpo negro. Usando la mecánica cuántica y mecánica estadística que puedes calcular la cantidad de potencia de radiación que debe emitir un cuerpo negro a una temperatura determinada en cada longitud de onda. $ ^ {[b]} $ Curiosamente, si Mira en la gráfica de la emisión del sol, ves que está bastante cerca de un cuerpo negro ideal.
¿Alguna vez has notado que las mantas térmicas son brillantes? Los materiales brillantes están débilmente acoplados a la radiación electromagnética Son brillantes precisamente porque reflejan la radiación entrante en lugar de absorberla Dado que los malos absorbentes son malos emisores, esto también significa que cuando te envuelves en una manta brillante irradiarás el calor de tu cuerpo más lentamente, manteniéndote más caliente en un ambiente frío Por supuesto, usar una manta brillante también evitaría que se caliente a la luz del sol. La forma de pensarlo es que la cosa brillante te aísla del entorno: evita que te caliente la radiación entrante y evita que te enfríes por la radiación saliente.
Esta es también la razón por la que el termo las botellas son brillantes.
$ [a] $ : Tenga en cuenta que la potencia máxima de radiación del sol es de alrededor de $ 500 \, \ text {nm} $ longitud de onda, que está justo en el medio del espectro visible. ¿Coincidencia?
$ [b] $ : De hecho, fue al tratar de calcular el espectro de emisión del cuerpo negro que la gente se dio cuenta de que la física clásica tenía problemas. En la física clásica, el cuerpo negro irradia una cantidad infinita de energía. Planck descubrió que podía solucionar este problema asumiendo que la energía estaba cuantificada. Según admitió él mismo, en ese momento fue un truco totalmente no motivado, pero funcionó y fue un importante punto de partida para la mecánica cuántica.
$ [c] $ : Para obtener más información, consulte la regla de oro de Fermi.
$ [d ] $ : Por supuesto, los objetos más calientes parecen colores que no son negros. Por ejemplo, si calientas una pieza de metal en el fuego, puede que se ilumine en rojo.