Почему движущиеся частицы излучают тепловое излучение?

Электромагнитные процессы между атомами и молекулами во всех фазах, твердых, жидких, газовых, зависят от того, что обычно называют «ван-дер-ваальсовыми» полями и последующими силами.

Хорошо известно, что атомы/молекулы нейтральны, тем не менее, для всех веществ существуют дипольные и квадрупольные поля и поля более высокого порядка, которые в основном являются притягивающими и образуют химические связи , таким образом нейтральные атомы и молекулы могут связываться с твердыми телами и жидкостями и взаимодействовать друг с другом. как газы.

Эти связи являются квантово-механическими, что означает, что существуют решения уравнения Шредингера с уровнями энергии от основного состояния до континуума, их можно моделировать повторяющимися по всей массе твердого тела, жидкости и газа. Незаполненные энергетические уровни близки друг к другу по энергии и континууму n=бесконечности (радиальное квантовое число).

В то же время атомы и твердые тела обладают чисто кинетическими степенями свободы: они могут колебаться и вращаться в твердых телах, они могут двигаться в двух измерениях в жидкостях и во всех трех измерениях в газах.

В газах простое рассеяние молекул переводит кинетическую энергию одной молекулы в потенциальную энергию другой, т. е. поднимает электрон на более высокий уровень. Электрон возвращается в свое основное состояние, высвобождая определенный фотон или каскад фотонов, в зависимости от энергии. Помните, что более высокие уровни по отношению к n, радиальному квантовому числу, плотно упакованы. Эти фотоны излучаются как излучение черного тела, и они представляют собой континуум из-за 10 ^ 23 молекул на моль и почти непрерывных энергетических уровней . Температура является функцией средней кинетической энергии газа: чем выше температура, тем энергичнее кинетическое рассеяние и тем выше средняя энергия фотонов.

В твердом теле также имеются колебательные и вращательные кинематические степени свободы, дающие вклад в среднюю кинетическую энергию, т.е. температуру. Кинетическая энергия молекул становится потенциальной энергией электрона в решетке, который затем распадается до своего основного состояния или через каскады. Логика та же, что и для газов, и то же самое верно для жидкостей, которые имеют некоторую дополнительную кинематическую степень свободы по отношению к твердым телам.

Таким образом, именно квантово-механическое поведение материи на микроуровне отвечает за излучение черного тела, и проблема инфракрасной катастрофы классической экстраполяции была решена. Именно уровни энергии определяют разницу между бесконечностью и хорошим поведением электромагнитных излучений. Таким образом, средняя кинетическая энергия (пропорциональная T) уменьшается за счет превращения в электромагнитное излучение за счет ступенчатого изменения энергетических уровней.

Означает ли это, что в разреженных условиях, когда длина свободного пробега относительно велика, скорость ИК-излучения уменьшается (в то время как интенсивность по-прежнему зависит только от температуры)?

Когда длина свободного пробега велика, температура ниже, средняя кинетическая энергия атомов ниже, и, следовательно, фотоны, образующиеся в результате преобразования кинетических электронов в возбуждающие электроны на более высокие уровни потенциальной энергии и последующего распада на основные уровни энергии, все ниже. и будет становиться все холоднее, если энергия не пополняется. Я не знаю, что вы имеете в виду под интенсивностью.

Это спектр излучения абсолютно черного тела .

По мере снижения температуры пик кривой излучения черного тела смещается в сторону более низких интенсивностей и более длинных волн. График излучения черного тела также сравнивается с классической моделью Рэлея и Джинса.

Если вы имеете в виду газы при низком давлении, например, в верхней части атмосферы и т. д., их нужно изучать отдельно в соответствии с граничными условиями. Могут быть газы с очень высокими температурами, как в атмосфере Солнца.

Механизм эмиссии ЭМ излучения в разбавленных газах отличается от твердых тел, жидкостей и плотных газов.

В твердом теле основным источником непрерывного излучения, т. е. излучения черного тела, являются колебания решетки, вызывающие локальные колебания электронной плотности. Получающиеся в результате переходные диполи излучают ЭМ точно так же, как любой колеблющийся диполь. Это не резонансный процесс, поэтому вы получаете непрерывный спектр. Ответ Любоша Мотля на вопрос, упомянутый Крисом, объясняет, почему форма спектра излучения не зависит от мелких деталей того, как испускается излучение.

Жидкости и очень плотные газы не имеют решетки, но хаотическое тепловое движение составляющих их частиц производит аналогичный эффект.

В разбавленном газе плотность слишком мала, чтобы вызвать какие-либо значительные колебания электронной плотности, поэтому разбавленные газы не излучают непрерывный спектр (хотя любое твердое тело, находящееся в контакте с газом, будет нагреваться им и, следовательно, излучать излучение черного тела).

Если газ является составным, а не атомарным, тогда вполне могут быть вращательные и колебательные возбуждения, которые могут поглощать и излучать фотоны; именно так углекислый газ (как известно) поглощает/излучает инфракрасное излучение. Уширение линии может привести к приблизительно непрерывному спектру, но в основном спектр остается дискретным, а не непрерывным.

Если вы возьмете одноатомный газ, такой как неон, то в основном он не поглощает и не излучает излучение на частотах ниже электронных возбуждений, хотя, как упоминает TMS, всегда будет хвост распределения скоростей, у которого достаточно энергии для возбуждения электронных переходов. Однако при комнатной температуре этим можно пренебречь.

Тепловое излучение – это постоянное излучение. Он существует для чего угодно, при любых обстоятельствах, в любое время. Он не имеет прямого отношения к движению объекта. Ускоренные заряды испускают излучение, которое не является тепловым излучением.

Эти ответы слишком сложны. Это не ракетостроение.

Когда заряженная частица движется, она создает электромагнитное излучение.

Материя состоит из заряженных частиц.

Поскольку все, что не находится в абсолютном нуле, движется и все состоит из заряженных частиц, вы получите спектр электромагнитного излучения, исходящего от материи.

Если вещь движется очень быстро (высокая температура), вы получите видимый свет. Если вещь очень, очень горячая (например, солнце), вы получите ультрафиолетовый свет.