Что заставляет объекты казаться «черными»?

Насколько я понимаю, причина, по которой объекты имеют определенный цвет, заключается в том, что именно этот цвет (в видимом свете) меньше всего поглощается электронами в атомах материала, а остальные отражаются.

Я также понимаю, что эти длины волн поглощаются из-за возможных уровней энергии электронов.

Кроме того, причина, по которой этот свет не излучается повторно, заключается в том, что, хотя электроны имеют тенденцию снижать уровень энергии (в более стабильное состояние), более непосредственным способом сделать это является передача тепла, и эта энергия затем теряется. через тепловую энергию в связях между атомами, выделяющими энергию в виде излучения черного тела.

Что-то не так с этим пониманием? Отсутствуют ли какие-либо подробности, которые было бы полезно знать?

Почему инфракрасное излучение вносит гораздо больший вклад в тепло, чем другие длины волн, такие как ультрафиолет, если оно все равно передается теплу?

При обычных температурах (~300 К) спектр излучения абсолютно черного тела достигает максимума в инфракрасном диапазоне. А «тепло, излучаемое телом» — это просто излучение абсолютно черного тела. Энергия идет по следующему пути: фотоны->тепло->излучение. Поскольку часть «тепло->энергия» относится только к температуре, большая часть тепла находится в инфракрасном диапазоне, независимо от исходного источника энергии.
Re: «Почему инфракрасное излучение способствует теплу гораздо больше, чем другие длины волн?» Кто вам сказал, что это правда? Закон Планка расскажет вам, сколько энергии излучается на каких длинах волн для излучателя черного тела. И для большинства «черных» тел, с которыми вы столкнетесь в повседневной жизни (тлеющие угли, раскаленная печь), вы будете правы: большая часть силы находится в ИК-излучении. Но это просто совпадение - из-за их температуры. Поверхность Солнца намного горячее — около 5000 К — и оно излучает около половины своей мощности в видимом диапазоне длин волн.
Затем есть лазеры: лазер излучает 100% своей мощности на одной или нескольких длинах волн. Если это видимые длины волн, то в этом вся сила.
@SolomonSlow, так что дело не в том, что инфракрасное излучение - единственная длина волны, которая вносит значительный вклад в тепло, а в том, что это более распространенное явление? Это было одно из моих предположений. Если около половины солнечного излучения видимы, значит ли это, что значительная часть тепла, которое вы ощущаете от прямого солнечного света, исходит от видимого света, а не почти полностью от инфракрасного? Как насчет огня?
@User_DJ, "...значительная часть тепла, которое вы чувствуете от прямого солнечного света, исходит от видимого света...?" Короткий ответ: «да». Более длинный ответ может объяснить, насколько хорошо ваша кожа поглощает различные длины волн. Наденьте черную футболку, и длинный ответ станет менее значимым.
@User_DJ, "А как насчет огня?" Большая часть тепла, которое вы чувствуете от дров, исходит от углей. Древесный уголь очень черный, поэтому красно-оранжевый цвет, который вы видите, — это чистое излучение черного тела. Бледно-желтый цвет пламени также является чисто черным телом. Это от микроскопических частиц горящей сажи. Эти частицы более горячие, чем древесный уголь, поэтому излучение больше смещено в сторону видимого света, но их намного меньше, поэтому общее количество тепла от этого источника меньше. Я не знаю фактической температуры или соответствующих спектров черного тела, потому что мне лень заниматься математикой.
@SolomonSlow, спасибо. А как насчет ионизированного газа в пламени (некоторые называют его плазмой)? Какое излучение света от этого?
@User_DJ, извините, это выше моего понимания. Может быть, химик мог бы рассказать вам что-нибудь о цветах в газовом пламени.
@SolomonSlow, не беспокойся. Спасибо за ответы!

Ответы (1)

Что-то не так с этим пониманием?

Несколько незначительных моментов:

  • Излучение черного тела не относится к конкретному микроскопическому процессу и, в частности, не обязательно является «связями между атомами, испускающими энергию». Излучение черного тела — явно макроскопическое явление, полезность которого заключается в том, что оно не особенно заботится о микроскопической структуре материала. Для получения дополнительной информации см. Каковы различные физические механизмы передачи энергии фотону во время излучения черного тела? .

  • Поглощение и отражение — не единственные вещи, которые могут произойти, когда свет попадает на среду. Существует также передача, например. А в случае более высоких энергий вы также можете иметь разложение / фотодеградацию, ионизацию и образование пар, и это лишь некоторые из них.

  • Электромагнитное излучение не только рассеивается в виде тепла, но и может вызывать ускорение или вращение объекта, если свойства объекта и падающего излучения правильные.

Почему инфракрасное излучение вносит гораздо больший вклад в тепло, чем другие длины волн, такие как ультрафиолет, если оно все равно передается теплу?

Ну, во-первых, потому что не все поглощенное излучение рассеивается в виде тепла. Если излучение имеет достаточно высокую энергию, оно будет разрывать химические связи (например, УФ-излучение) и/или ионизировать атомы материала (например, рентгеновские лучи), а не просто повышать температуру материала. Если излучение имеет достаточно низкую энергию, оно будет просто передаваться без значительного взаимодействия с материалом. Таким образом, для того, чтобы излучение в основном рассеивалось в виде тепла, оно должно иметь примерно ту же энергию, что и переход, который на самом деле не разрушает материал. Многие (но не все*) материалы имеют именно такой переход в инфракрасном диапазоне из-за межатомных связей, имеющих типичную энергию связи в несколько эВ.

Также помогает то, что для материалов с температурой около комнатной пик спектра излучения абсолютно черного тела находится в инфракрасном диапазоне. Это означает, что количество инфракрасного излучения, излучаемого телом, коррелирует с его температурой, и в целом макроскопические материалы с температурой около комнатной будут легко излучать и поглощать инфракрасное излучение.

Конечно, если вы хорошо разбираетесь в своем материале, вы можете использовать переходы вне инфракрасного диапазона для передачи тепла. Например, у молекул воды вращательные переходы очень близки по энергии; разница энергий между ними соответствует энергии микроволнового фотона. Поэтому, когда вода подвергается воздействию микроволн, она нагревается, что делает возможным создание микроволновых печей.

*Например, селенид цинка практически прозрачен для инфракрасного излучения, так что вам будет трудно нагреть его таким образом, если вы попробуете.

Что заставляет материал поглощать определенные длины волн в виде тепла? Есть ли разница в том, как материалы поглощают инфракрасное излучение по сравнению с некоторой видимой длиной волны в их спектре излучения? Вы сказали, что поглощение инфракрасного света может зависеть от энергий связи межатомных связей. Значит ли это, что вместо электронов поглощают энергию связи? Являются ли процессы поглощения в виде тепла и испускания инфракрасного излучения разными процессами? Например, будут ли прозрачные для инфракрасного излучения объекты, такие как селенид цинка, излучать излучение черного тела в основном в инфракрасном диапазоне, хотя и не поглощать его?
Что заставляет объекты казаться «черными»?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v