Тепловое излучение. Фотон.

[BioVampir]

Здравствуйте. Меня довольно сильно заинтересовала эта тема. Учитель рассказывал, что тело, которое поглощает тепловое излучение, нагревается. Я спросил у него: "А каким образом тело нагревается?", на что получил ответ: "Оно поглощает излучение". Тогда я спросил: "А каким образом оно поглощает?", на что ответили: "Оно нагревается". И тут я зашел в тупик. Я подумал сам, и пришел к таким выводам:
1 Фотоны, поступающие в тело, остаются в межмолекулярном пространстве, соединяясь с молекулами тела, и передающие им свою энергию.
2 Фотоны врезаются в молекулы, тем самым разгоняя их, и увеличивая кинетическую энергию тела.
Из обоих выводов следует, что фотоны увеличивают кинетическую энергию тела, а это значит, что молекулы двигаются быстрее. Следовательно область в которой находятся эти молекулы нагревается.

[amon]

BioVampir в сообщении #981595 писал(а):

Тогда я спросил: "А каким образом оно поглощает?", на что ответили: "Оно нагревается". И тут я зашел в тупик.

Ну, давайте попробуем оттуда выбраться. Для начала забудем все слова, смысл которых, видимо, не очень Вам понятен. К черту фотоны. Есть электромагнитные (ЭМ) волны (свет, невидимое тепловое (ИК) излучение, радиоволны итп). Всякие разные тела, включая нас с Вами могут эти волны излучать и поглощать. Как они это делают - не суть важно. Кроме того заметим, что электромагнитное излучение переносит энергию. Все. Этого достаточно, что бы начать разбираться.

Проделаем такой мысленный эксперимент. Возьмем нагретый утюг, отключенный от электричества и холодную железяку из морозильника и поместим их в камеру с идеально отражающими стенками (пусть мы можем такую сделать - эксперимент-то мысленный), из которой выкачан воздух. И утюг и холодная железяка будет излучать и поглощать ЭМ волны (никакого другого механизма переноса энергии у нас в нашей модели нет). Эти волны будут переносить энергию от железяки к утюгу и обратно. Вопрос - чем сердце успокоится? Видимо, тем, что поток энергии (ЭМ волн) от железяки к утюгу станет равным потоку от утюга к железяке. При этом и утюг, и железяка продолжат излучать и поглощать ЭМ волны в самых разных диапазонах, но будет условие - сколько на данной частоте излучения в тело вошло, столько и выйдет. Это значит, что спектр излучения (зависимость интенсивности излучения от частоты) у обоих наших тел будет одинаков. Нетривиальный факт состоит в том, что этот спектр излучения характеризуется одним единственным параметром, который, будете смеяться, называется температурой.

Если бы с самого начала в нашей камере стояли два одинаково нагретых утюга или две одинаково холодные железяки, то за счет обмена ЭМ волнами их внутреннее состояние (температура) не поменялась бы. Это значит, что электромагнитное излучение что-то делает с телом (обычно - нагревает, но можно придумать и реально создать ситуацию, когда будет охлаждать), если спектр этого ЭМ излучения отличается от спектра тела при данной температуре. В начале нашего мысленного эксперимента излучение холодной железяки поглощалось горячим утюгом, но не нагревало его, а излучение утюга железяку нагревало. Надеюсь, что это ответ (в нулевом приближении) на вопрос

BioVampir в сообщении #981595 писал(а):

"А каким образом тело нагревается?"

[Munin]

Странно, что amon начал во здравие, заменяя квантованные электромагнитные волны классическими, а кончил за упокой, опять излагая статистическую и термодинамическую картину.

Я предлагаю ответить с другой стороны. Фотон - это такая электромагнитная волна. Как он может поглотиться и передать энергию? Давайте посмотрим на то, как обычная электромагнитная волна может поглотиться и передать энергию.

Электромагнитная волна - это летящие в пространстве переменные электрическое $\vec{E}$ и магнитное $\vec{B}$ поля. У них есть, конечно, энергия: плотность этой энергии равна

$$W=\dfrac{\varepsilon_0 E^2+B^2/\mu_0}{2}.$$

Потом эта волна натыкается на тело. А что такое тело? А тело на микроскопическом уровне - это много-много зарядов (заряженных частиц). Одни частицы заряжены положительно, и тяжёлые, на химии их называют атомными ядрами. Другие частицы заряжены отрицательно, и лёгкие, на химии их называют электронами. В сумме количество тех и других частиц подобраны так, чтобы тело было незаряженным. Но это не значит, что внутри тела зарядов нет: всё равно они всегда есть, заряды вездесущи. И теперь, что волна делает с зарядами? Она их дёргает: электрическое поле волны тянет положительные заряды в одну сторону, а отрицательные - в другую. К зарядам прикладывается сила, они ей подчиняются и двигаются, и эта сила совершает работу. Потом приходит другая часть волны, в которой поле направлено в другую сторону, и оно тянет эти заряды уже в другую сторону. И так далее, зарядам просто не дают успокоиться, таскают туда-сюда.

Дальше возникает вопрос, а насколько идеальна вот эта вот система зарядов? Если в ней подёргать заряды туда-сюда, то они так и будут болтаться, или затормозятся? Если затормозятся, то значит, энергия их движения перейдёт в тепло. Этого нам и надо! Произойдёт поглощение света (или излучения). А если вдруг они не будут тормозиться? Тогда произойдёт другой интересный процесс: сами эти заряды, двигаясь в пространстве, породят новую электромагнитную волну. Она пойдёт в обратную сторону по отношению к предыдущей. Это называется отражением света. Идеальных отражателей не существует (вообще ничего идеального не существует), так что даже если тело очень хорошо отражает свет, то часть его оно всё-таки поглощает.

Надеюсь, эти пояснения более прицельно отвечают на ваш вопрос.

BioVampir в сообщении #981595 писал(а):

1 Фотоны, поступающие в тело, остаются в межмолекулярном пространстве, соединяясь с молекулами тела, и передающие им свою энергию.
2 Фотоны врезаются в молекулы, тем самым разгоняя их, и увеличивая кинетическую энергию тела.

1. Фотоны - очень большие. Они не помещаются в межмолекулярное пространство. Часто бывает, что один фотон поглощается сразу многими молекулами - правда, на все эти молекулы приходится только один акт поглощения, просто "поделенный на всех".
2. Фотоны не могут разгонять электрически нейтральные частицы, например, молекулы. Фотоны могут врезаться в заряженные частицы, например, внутренние части молекул (обычно электроны, или ядра). От этого молекула получает внутреннюю энергию движения своих составных частей. Потом она может столкнуться с другой молекулой, и передать ей эту энергию, превратив её в обычную кинетическую. Но это будет кинетическая энергия молекул, а не тела. Для тела это будет внутренняя энергия - теплота.

Хотя есть ещё и эффект давления света, когда у тела нарастает именно кинетическая энергия. Но этот эффект очень слабенький.

[amon]

Munin в сообщении #981788 писал(а):

Я предлагаю ответить с другой стороны.

Я думаю, что мы скорее дополняем друг друга. Речь ведь шла о тепловом излучении и нагревании, а для этого микроскопический механизм не важен. Я хотел подчеркнуть, что не всякое электромагнитное излучение нагревает. Впрочем, давайте ТС ждать.

[Munin]

amon в сообщении #981730 писал(а):

Это значит, что электромагнитное излучение что-то делает с телом (обычно - нагревает, но можно придумать и реально создать ситуацию, когда будет охлаждать)

А вот это я как-то пропустил, интересно, о чём речь? Вкратце, если можно.

[amon]

(Оффтоп)

Munin в сообщении #981804 писал(а):

Вкратце, если можно.

Если совсем коротко (и не точно), то можно лазерным пучком охладить атомы за счет вынужденного излучения. Столкновения переводят атомы в возбужденные состояния, а вынужденное излучение эту энергию из системы выносит, охлаждая ее. Только, боюсь, мы бедного BioVampir'a так окончательно запутаем.

[Degen1103]

Если кому-то интересно, то на тему фототермического преобразования есть отличная книжка:
Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твёрдого тела. Под ред. Б. Серафина. - М.: Энергоиздат, 1982. 320 c.

-- 24.02.2015, 10:55 --

Munin в сообщении #981804 писал(а):

А вот это я как-то пропустил, интересно, о чём речь? Вкратце, если можно.

Речь об обратной селективности.

[rockclimber]

amon в сообщении #981796 писал(а):

Munin в сообщении #981788 писал(а):

Я предлагаю ответить с другой стороны.

Я думаю, что мы скорее дополняем друг друга. Речь ведь шла о тепловом излучении и нагревании, а для этого микроскопический механизм не важен. Я хотел подчеркнуть, что не всякое электромагнитное излучение нагревает. Впрочем, давайте ТС ждать.

Я думаю, что автор - школьник, и многое из ваших объяснений просто не понял. По себе сужу - когда школьником читал научно-популярные книжки, описывающие статистический подход к этой проблеме, ничего не понимал вообще. Только потом, когда начал уже в вузе изучать, стало понятно, что к чему. Имхо, надо было как-то покороче, в двух словах объяснить, а потом посмотреть, на какую глубину ТС захочет вникать. А так его тут запугают и он убежит

[BioVampir]

Спасибо всем за объяснения. Я довольно хорошо все понял. И да я учусь всего лишь в 9 классе. Но в ваших объяснениях разобрался))

[Munin]

amon
А, вот оно что.

Degen1103
А вот этого слова я не понял.

rockclimber в сообщении #981882 писал(а):

Я думаю, что автор - школьник

Да, я сразу так подумал. Простейший критерий: в школе говорят "учитель", в вузе "преподаватель".