Черный — лучший излучатель, потому что если что-то черное, это означает, что оно сильно связано с электромагнитным полем.

Тепловое излучение

Физические объекты окружены электромагнитным излучением. Одним из источников излучения являются звезды, такие как Солнце. Звезды излучают видимый свет, инфракрасное излучение и вообще целый диапазон длин волн. Вы можете увидеть график спектра солнечного света в Википедии.$^{[a]}$Выяснилось также, что сама материя излучает излучение. Поскольку температура материи не равна нулю, тепловое «движение» атомов/молекул случайным образом заставляет их переходить в возбужденное состояние, а когда они перескакивают вниз, они могут испускать фотоны электромагнитного излучения. Это называется тепловым излучением .

Различные виды материи излучают свою тепловую энергию в виде электромагнитного излучения с разной степенью эффективности. Это примерно потому, что электронные (или другие) переходы в различных материалах более или менее сильно связаны с электромагнитным полем, а также потому, что разные материалы имеют более или менее доступные переходы на каждой длине волны.$^{[c]}$Следовательно, при данной температуре одни материалы испускают излучение быстрее, чем другие.

Хорошие излучатели — хорошие поглотители

Теперь важная часть: материалы, которые хорошо излучают тепловое излучение, также хорошо поглощают входящее излучение . На самом деле это неудивительно: процесс поглощения входящего фотона прямо противоположен процессу испускания, поэтому, если в материале имеется множество доступных переходов внутри него или переходов, более сильно связанных с электромагнитным полем, то эти имеются переходы как для испускания, так и для поглощения.

А теперь отвечаем на вопрос

Материал, который является очень хорошим абсорбером, выглядит черным, потому что он поглощает весь падающий свет. Ну, это звучит убедительно, но если вы подумаете об этом, вы заметите, что я сказал вам, что хорошие поглотители также являются хорошими излучателями, поэтому хороший поглотитель также должен излучать свет. Он не должен выглядеть черным! Ключевым моментом здесь является то, что он не должен излучать фотоны на той же длине волны, на которой он их поглощает. Что обычно происходит, так это то, что после того, как, например, видимый фотон входит и поглощается, энергия преобразуется в тепло, а затем излучается посредством теплового излучения, как описано выше. Это тепловое излучение может быть в инфракрасном диапазоне (для практических температур), который вы не можете увидеть своими глазами. Вот почему объект, который одновременно является хорошим поглотителем и хорошим излучателемвыглядит черным, когда находится в тепловом равновесии около комнатной температуры.$^{[d]}$Обратите внимание, что это означает, что черные объекты на самом деле излучают больше энергии, чем белые, просто вы не можете легко сказать, потому что эта мощность находится на длине волны, которую вы не видите.

Дополнительная информация

Гипотетический объект, полностью поглощающий все поступающее излучение, называется черным телом . Используя квантовую механику и статистическую механику, вы можете вычислить количество мощности излучения, которое черное тело при заданной температуре должно излучать на каждой длине волны.$^{[b]}$Интересно, что если вы посмотрите на график излучения Солнца, то увидите, что оно довольно близко к идеальному черному телу.

Вы когда-нибудь замечали, что термоодеяла блестят ? Блестящие материалы слабо связаны с электромагнитным полем. Они блестят именно потому, что отражают поступающее излучение, а не поглощают его. Поскольку плохие поглотители являются плохими излучателями, это также означает, что, когда вы заворачиваетесь в блестящее одеяло, вы будете медленнее излучать тепло своего тела, сохраняя тепло в холодных условиях. Конечно, блестящее одеяло также не позволит вам согреться на солнце. Можно думать об этом так: блестящая штука изолирует вас от окружающего: она не дает вам согреться приходящей радиацией и не дает вам замерзнуть от исходящей радиации.

Вот почему термосы блестят.

$[a]$: Обратите внимание, что пиковая мощность солнечного излучения составляет около$500\,\text{nm}$длина волны, которая находится прямо посередине видимого спектра. Стечение обстоятельств?

$[b]$: Фактически, именно при попытке рассчитать спектр излучения черного тела люди поняли, что у классической физики есть проблемы. В классической физике черное тело излучало бы бесконечное количество энергии. Планк обнаружил, что может исправить это, предположив, что энергия квантуется. По его собственному признанию, в то время это был совершенно немотивированный взлом, но он сработал и стал важной отправной точкой для квантовой механики.

$[c]$: Для получения подробной информации просто обратитесь к Золотому правилу Ферми .

$[d]$: Конечно, более горячие объекты выглядят не черными цветами. Например, если вы нагреете кусок металла в огне, он может загореться красным.