Dlaczego świeci tak jak świeci

holeris · 11 Kwietnia 2020

Próbuję zrozumieć zależność pomiędzy prawem Plancka i promieniowaniem ciała doskonale czarnego, a liniami emisyjnymi poszczególnych pierwiastków.

Z jednej strony mamy prawo Plancka opisujące rozkład widma ciała doskonale czarnego. Jak rozumiem na podstawie długości fali można obliczyć temperaturę, jaką musiało by mieć hipotetyczne ciało doskonale czarne, aby wypromieniować konkretną długość fali. Stąd np. temperatura barwowa gwiazd. Prawo Plancka nic nie mówi jednak o tym z czego zbudowane jest ciało doskonale czarne. Jest to nieistotne. Jeśli tylko ciało jest doskonale czarne, to, niezależnie od składu, promieniuje zgodnie z prawem Plancka. Należy zaznaczyć, że ciało doskonale czarne jest wytworem czysto teoretycznym i nie występuje w przyrodzie.

Z drugiej strony wiemy o poziomach energetycznych atomów poszczególnych pierwiastków. W zależności od pierwiastka jest różna liczba poziomów energetycznych i przy przejściu z poziomu wyższego na niższy wypromieniowywany jest kwant energii o energii / długości fali zależnej od różnicy energii poziomów. Stąd na podstawie długości zmierzonej fali możemy stwierdzić jaki pierwiastek i przy jakim przejściu energetycznym ją wypromieniował. Np. seria Balmera dla wodoru opisuje między innymi linie H-α czy H-β.

Nie widzę przejścia pomiędzy tymi dwoma modelami. Jeśli prawo Plancka opisuje jak promieniują ciała, to gdzie pojawia się skład? A może prawo Plancka to tylko statystyczne uproszczenie, bo pierwiastki w kółko wzbudzają się i emitują? Ale przecież to właśnie Planck w swojej pracy o promieniowaniu ciała doskonale czarnego jako pierwszy wprowadził pojęcie kwantu. A ono zbliża nas do konkretnych pierwiastków - konkretnych, skwantowanych poziomów energetycznych i odpowiadającym im emisjom.

Jak patrzymy na rozgrzany metal w hucie, to na podstawie wyłącznie koloru / długości fali jesteśmy w stanie określić temperaturę z prawa Plancka? Czy musimy jeszcze wiedzieć jaki to metal? A może linie widmowe są aż tak charakterystyczne, że dają nam jednocześnie informację o składzie i temperaturze? Bo aby pierwiastek mógł wyemitować jakiś foton, najpierw musiał osiągnąć pewien stopień energetyczny czyli osiągnąć pewną temperaturę?

Mam nadzieję, że nie powypisywałem żadnych herezji. Zwłaszcza proszę o wyjaśnienie kwestii zależności między modelem Plancka, a modelem "spektrometrycznym". A może ja się na siłę doszukuję tej zależności, a prawda jest taka, że model "spektrometryczny" jest rozwinięciem modelu Plancka, na podobnej zasadzie jak teoria względności rozszerza mechanikę newtonowską?

Jak widać trochę się w tym gubię. Będę wdzięczny, jeśli mi to rozjaśnicie.

Mariusz Psut · 11 Kwietnia 2020

"... Ciało doskonale czarne jest wytworem czysto teoretycznym i nie występuje w przyrodzie..."

A czy przestrzeń międzygwiezdna nie jest właśnie takim ciałem doskonale czarnym? :g:

dobrychemik · 11 Kwietnia 2020

To nie herezje, to jak najbardziej sensowny problem, o którym już też kiedyś myślałem. Napiszę jak ja to widzę.

Model ciała doskonale czarnego w sposób oczywisty jest tylko wytworem statystyki i jako taki jest modelem przybliżonym i bardzo uproszczonym. To nie gwiazda świeci, nie świeci też kawałek rozgrzanej stali. Wyświecone światło składa się z kwantów, a każdy z tych kwantów został wypromieniowany lokalnie, zwykle przez atom lub grupę atomów lub jeszcze bardziej lokalnie: przez konkretny elektron. To już zależy w jakim zakresie widma jesteśmy - gdy mowa o świetle widzialnym, to znaczy że musimy zajmować się pojedynczymi elektronami.

Każdy izolowany atom, np. wodoru jest taki sam (pomijam tu takie zagadnienia jak izotopy lub izomery jądrowe) i każdy będzie miał takie samo widmo emisyjne z wyraźnymi, wąskimi pasmami emisji. Ale w realnym świecie, a właściwie to we Wszechświecie, nie istnieją izolowane atomy. Wszystko oddziałuje ze wszystkim wpływając na energie stanów kwantowych. Im bardziej faza będzie skondensowana, tym te oddziaływania będą silniejsze, a efektem będzie coraz większe rozmycie pasm emisji. Dlatego w emisyjnej spektroskopii atomowej pomiar wykonywany jest dopiero dla materiału przeprowadzonego w stan gazowy/plazmę.

Behlur_Olderys · 11 Kwietnia 2020

Promieniowanie termiczne powstaje, gdy cząstki jakiegoś ciała ruszają się z niezerowymi prędkościami. Fotony są emitowane podczas "zderzeń" cząstek stąd ich energia jest zależna od energii, a więc od temperatury cząstek. Źródłem promieniowania termicznego (które dla idealnego przypadku ma widmo ciała doskonale czarnego) jest ten sam mechanizm kwantowomechaniczny, co w przypadku brehmstrahlung.

https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_hamowania

Czysta fizyka wrzucamy brehmstrahlung z niskimi energiami (termicznymi) do maszynki rozkładów statystycznych

(Np tutaj: ,https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.ira.inaf.it/~ddallaca/P-Rad_2.pdf&ved=2ahUKEwiS1p3s3ODoAhWOyqYKHZAlCTIQFjAMegQIAxAB&usg=AOvVaw2SM0nIO7v0Rkbg_44AN_9S&cshid=1586620232046

- slajdy 12-13)

i wychodzi nam widmo ciała doskonale czarnego

Emisja z atomów i cząstek, ze stanów związanych to coś innego. To tutaj mamy do czynienia z liczbami kwantowymi atomów, powłokami i tą całą chemią;) @dobrychemik już tam wyjaśni w razie czego

Te dwa mechanizmy się nakładają na siebie. Oczywiście w pewnych temperaturach nie ma szans na istnienie niektórych stanów związanych, np. duże cząsteczki nie występują w atmosferze Słońca). Z drugiej strony im wyższa temperatura tym więcej energii dostarcza się cząstkom, więc łatwiej mogą powstać kosztowne energetycznie stany wzbudzone prowadzące do różnych ciekawych pasm emisji.

Mam nadzieję że to trochę wyjaśnia?

Edytowane 11 Kwietnia 2020 przez Behlur_Olderys

holeris · 11 Kwietnia 2020

Wyjaśnia to bardzo wiele. Dzięki :-)

57 minut temu, Behlur_Olderys napisał:

Promieniowanie termiczne powstaje, gdy cząstki jakiegoś ciała ruszają się z niezerowymi prędkościami.

(...)

Emisja z atomów i cząstek, ze stanów związanych to coś innego.

(...)

Te dwa mechanizmy się nakładają na siebie.

(...)

Czyli to po prostu 2 różne zjawiska. Docierające do nas fotony pochodzą więc albo z promieniowania termicznego, albo z emisji. To jest odpowiedź, której szukałem.

A teraz w skali kosmicznej.

Czyli docierające do nas fotony pochodzą albo z promieniowania termicznego, albo z emisji. Jaka jest skala? Jak dużo fotonów procentowo pochodzi z poszczególnych źródeł? Bo jeśli chodzi o długości fal, to jak rozumiem promieniowanie termiczne występuje głównie w podczerwieni i świetle widzialnym. Później jest katastrofa w nadfiolecie i prawie zanika.

A kolory gwiazd czy mgławic? Co jest ich głównym źródłem? Z kolorową kamerką robię zdjęcia z filtrem IR-Cut, więc podczerwoną część promieniowania termicznego wycinam. Ale widzialna zostaje. Dominuje ona nad promieniowaniem z emisji? H-Alfa świeci na czerwono, ale większość gwiazd jest typu widmowego M, który też świeci na czerwono, ale promieniowaniem termicznym.

EDIT: Nie jest tak, że mgławice są zbyt rzadkie, aby dochodziło do promieniowania termicznego? Więc w przypadku mgławic głównym źródłem fotonów jest emisja ze stanów wzbudzonych, a w przypadku gwiazd promieniowanie termiczne?

Edytowane 11 Kwietnia 2020 przez holeris